浅谈新型大跨空间屋盖结构体系仿生（蜻蜓翅膀结构）研究

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1、浙江大学硕士学位论文新型大跨空间屋盖结构体系仿生（蜻蜓翅膀结构）研究姓名：莫伟刚申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：李忠学20070501摘要浙江大学硕士学位论文2007新型大跨空间屋盖结构体系仿生(蜻蜓翅膀结构)研究首先，对实验中获取的高清晰度的蜻蜒翅膀数码图片进行了细致地分析，了解了翅膀的网状翅脉结构特征和一些细部构造。再利用ANSYS分析软件建立了蜻蜒翅膀结构的计算模型，采用三节点等参数梁单元beaml$9模拟翅脉和八节点等参数曲壳单元sheU93模拟翅膜，以满足翅脉和翅膜间的变形协调性要求。对前翅平面模

2、型和立体模型的静力性能进行了对比分析，发现翅膀中的起拱、起皱结构可显著提高蜻蜒翅膀的弯曲刚度；分布在翅膀不同区域的翅脉横截面尺寸与其受力大小是完全相适应的。对翅膀模型分有膜、无膜两种情况进行对比分析，得出翅膜中产生的膜应力刚化效应可有效改善翅膀结构的刚度。分别采用不同的分析模型来模拟翅膀关节，并作静力分析和模态分析，发现关节可以起到释放应力和减振两方面的作用。然后，对蜻蜒的前后翅进行比较，发现两者的翅脉分布规律基本相同，且两者的上翻刚度都大于其下翻刚度，但前翅面积比后翅小很多，前翅在静力性能方面优于后翅。这些是由于蜻

3、蜓翅膀为适应特殊的飞行要求进化而成的。对具有不同起拱、起皱高度的计算模型进行静力分析，发现起拱和起皱的幅度越大，结构的刚度也越大，但单位面积上所用的材料则呈非线性增加，相应地增加了结构自重。通过对具有不同网格尺寸的结构模型进行静力分析，得出大网格结构模型的刚度较大；小网格结构模型的刚度较小，但可以降低材料用量。所以在设计新型仿生结构体系时要选择合适的起拱、起皱高度和网格尺寸大小，使结构刚度和材料利用率达到最优化．最后，基于以上研究成果，提出了三个具有不同网格分布的新型仿生大跨空间网格结构模型，对它们在受力性能和材料用

4、量上进行比较后，选出最优的结构模型。然后对最优模型在材料选用和构件尺寸上进行细致地分析，并调整个别构件的尺寸，使其结构布局更加合理。对改进后的模型分别进行了线性分析、几何非线性分析、动力分析和弹性屈曲分析，以验证所提仿生结构的合理性。再对优化的模型进行镜像处理，得到三个扩大的仿生大跨空间网格结构模型，这些结构模型在受力性能上更加合理，外观造型上更加优美。对于这样的单层大跨度结构，如全部采用钢构件，则在自重作用下结构产生的挠度将偏大，因此本文的仿生结构均采用自重较小的复合材料构件。关键词：蜻蜓翅膀、网状翅脉、起拱起皱、

5、应力刚化、结构仿生、新型结构体系浙江大学硕士学位论文2007Studiesonthenew-stylelarge—spanroofsystembybionicmodelingofdragonflywingsAbstractFirstly,thehighresolutionpicturesofdragonflywingsfromsampletestswffrestudied,theuniquefeatureofthereticulateveinstructureandthedetailsofdragonflywings

6、werefiguredout．Thenseveralcomputationalmodelsbasedoildragonflywingswcreproposed，beam189andshell93elementsinANSYSwereusedrespectivelyinmodelingoftheveinsandthemembranetoensurethecompatibilitybet'wccntheveinsandthemembraneatadeformedstate．Forcomparisonreason,thep

7、lanarandspatialmodelsbasedonaforewing咖ctll∞wereanalysed,itisshownthatthecamberedcorrugationinthewingscanimprovetheflexuralstiffnessofdragonflywingseffectively；theveinsdistributionandtheirsizevariationindifferentzonesarequitereasonable．Thewingmodelswith／withoutm

8、embrancewerestudiedrespectively,itdemonstratesthatthetensilestressinmembranec∞improvethestiffnessofthewingstructuregreatly．Severalmodelsofthejointwereevaluated,itilluminates