Ansys博客
April 28, 2020
如何设计和理解独特的张拉整体结构
工程师们喜欢分享那些描绘了非直观、迷人的物理系统的视频。最近比较热门的视频是The Action Lab发布的悬浮桌，它展示了张拉整体结构的独特性质。
The Acton Lab的悬浮桌是如何工作的？
张拉整体（即拉伸完整性）描述了处于持续张力下的弦网络内的单独压缩组件系统。在完全的张拉整体结构中，这些组件不相互接触，但仍会受到压缩。
很难相信可以通过弦来支撑压缩载荷。我们可以这样想象，它使用抗拉强度来悬挂载荷——就像经典的起重机一样。然而弦本身不能支撑压缩。但是，通过合适的设置和平衡，它们可以悬挂处于压缩状态的组件系统。
起重机的弦是一个处于张力下的经典系统
。它本身无法支撑
压缩载荷，但
合适的张拉整体设置能够使其发生改变。
采用这种悬浮压缩形式的结构，能够从悬挂压缩组件、处于张力下的弦获得强度。因此，这些系统使弦能够支撑处于压缩状态的系统。
张拉整体的工作原理是什么？
虽然起重机本身无法支撑压缩载荷，但它可能是构建张拉整体结构的秘诀。
悬浮桌仿真
例如，在悬浮桌示例中，构成基座和顶部的两块塑料包含了类似起重机的结构。这些结构通过中间弦的张力结合在一起。在底部和顶部每个角落添加的三根弦是为了增加稳定性。
这一切都是为了平衡重量。与类似起重机的梁相连接的弦只能在一个方向上承受重量。在理想的完美世界中，作用在系统上的唯一一种力就是重力，而系统将以某种方式获得平衡，那么只需要中间这条弦就足够了。
但实际上，只有一根弦将会产生一个不稳定的系统——就像钟摆一样。而加上的其它弦，则可以根据重量分布来改变它们的张力，从而增加稳定性。
Kurilpa桥（原Tank Street桥）
横跨于澳大利亚昆士兰州布里斯班的布里斯班河之上
这些悬挂结构在桥梁建设中具有实际应用。例如，澳大利亚昆士兰州布里斯班的Kurilpa桥是最著名的混合张拉整体结构之一，人们可以用它来穿越水道。它通过一排类似于起重机的支柱悬挂起来，这些支柱使用弦将结构固定到位。
然而，就像悬浮桌一样，人们很难理解这种结构如何保持完整性。为了获得更好的方法，工程师可以使用弦和3D打印部件来构建桥梁或悬浮桌的模型。如果无法使用3D打印机，工程师也可以尝试用乐高积木或冰棒棍制作悬挂组件。
如何设计和仿真张拉整体结构
要了解如何设计和模拟这些结构，最好从一个简单的例子开始——比如悬浮桌。
悬浮桌仿真结果显示，一些塑料
梁处于压缩状态，一些则处于张力状态。
大部分力作用在中间的弦上
为了简化计算，工程师必须想办法降低模型的复杂性。在这种情况下，基座、类似起重机的结构和弦都可以分别被建模为表面、梁和弦。因此，不需要进行实体建模。
Ansys Mechanical 2020 R1添加了线缆单元功能。这是对原链接单元的升级。
这些线缆单元仅支持张力，其末端可以自由旋转。这与能够承受张力、压缩并支持焊接的梁单元不同。
创建仿真后，工程师可以使用它来优化线缆的放置，以更好地分配重量、考虑自然频率并使结构稳定。如果他们担心当其中一根线缆发生故障时，一个悬挂的单元可能会弯曲或断裂，还可以运行屈曲仿真。
如果将此仿真概念扩展到桥梁设计，工程师还需要针对可变重量分布、强风、地震和其它条件对其进行优化。这些仿真可用于确保基座、类似起重机的结构和线缆都能够承受现场可能会存在的力。
因此，工程师可以找到其设计的薄弱环节，并重点进行优化，直到他们确定该结构将能够在现实世界中发挥作用。通常来说，这种优化将包括改变悬挂物体和弦的几何结构、横截面、材料和位置。
如欲了解更多信息，敬请观看网络研讨会：Ansys结构2020 R1更新。
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