Блог
Как проектировать и разбираться в необычных структурах с напряженной целостностью
- 06.07.2020

В видео, которыми инженерам нравится делиться друг с другом, обычно изображаются неочевидные и интересные физические системы. Недавним фаворитом стал плавучий стол Action Lab, который демонстрирует необычную природу структуры с напряженной целостностью.
Напряженная целостность (tensegrity) представляет собой систему изолированных сжатых компонентов в комплексе струн, которые находятся под постоянным напряжением. В чистой структуре с напряженной целостностью эти компоненты не соприкасаются, но все же подвергаются сжатию.

Сложно поверить в то, что струны могут выдерживать сжимающие нагрузки. Мы можем представить, как они, подобно классическому подъемному механизму, подвешивают груз, используя временное сопротивление при растяжении. Но струны не могут самостоятельно поддерживать сжатие. Тем не менее, при правильной настройке и балансировке они могут подвесить систему компонентов, находящихся под сжатием.
Структура, испытывающая такую форму сжатия, достигает прочности за счет струн под напряжением, подвешивающих сжатые компоненты. В результате это дает струнам возможность поддерживать систему при сжатии.
Как работают структуры с напряженной целостностью
Хотя подъемный механизм не может самостоятельно выдерживать сжимающие нагрузки, он может быть ключом к созданию структур с напряженной целостностью.
Например, в примере с плавучим столом два куска пластика, создающие основу и верхнюю часть, содержат структуру наподобие подъемного механизма. Эти структуры держатся вместе за счет натяжения средней струны. Три струны, присоединенные в каждый угол основной и верхней секций, предназначены для добавления устойчивости.
Все это относится к балансировке веса. Струна, прикрепленная к краноподобным балкам, может удерживать вес только в одном направлении. В идеальном мире, единственная сила, воздействующая на систему – гравитация, и система будет сбалансирована таким образом, что этой средней струны будет достаточно.
Но на самом деле, наличие только одной струны создаст нестабильную систему, как маятник. Другие струны добавляют устойчивость, изменяя их напряжение в соответствии с распределением веса.

Эти подвесные конструкции имеют практическое применение при строительстве мостов. Например, мост Курилпа в Брисбене, Квинсленд, Австралия, является одним из самых известных гибридных конструкций с напряженной целостностью, который может использоваться для пересечения водоема. Он подвешен на несущих конструкциях наподобие подъемных кранов, использующих струны для того, чтобы удерживать конструкцию на месте.
Тем не менее, как и в примере с плавающим столом, может быть сложно разобраться в том, как эта структура остается неизменной. Чтобы получить лучшее представление, инженеры могут создать модель моста или плавающего стола, используя струны и детали, выполненные с помощью 3D-печати. Те, у кого нет доступа к 3D-принтеру, могут попробовать собрать подвесные компоненты из Lego или палочек эскимо.
Как проектировать и моделировать структуры с напряженной целостностью
Чтобы научиться проектировать и моделировать эти структуры, можно начать с такого простого примера, как плавучий стол.
Моделирование плавучего стола показывает, как некоторые пластиковые балки сжимаются, а некоторые растягиваются. Большая часть силы находится на средней струне.
Чтобы упростить вычисления, инженерам нужно найти способы уменьшить сложность модели. В этом случае основание, краноподобные конструкции и струны могут быть смоделированы как поверхности, балки и струны, соответственно. В результате исчезает необходимость в твердотельном моделировании.
Недавно в Ansys Mechanical 2020 R1 была добавлена функционал расчета кабельного элемента.
Эти кабельные элементы работают только с напряжением, и их концы могут свободно вращаться. Это отличается от элемента балки, который может испытывать растяжение и сжатие и приварен на место.
После выполнения моделирования инженеры могут использовать его для оптимизации размещения кабелей, чтобы лучше распределить вес, учесть собственные частоты и стабилизировать конструкцию. Они также могут запустить моделирование деформации, если обеспокоены тем, что один из подвешенных элементов может прогнуться или сломаться, если один из кабелей выйдет из строя.
Если бы эта концепция моделирования была расширена до конструкции моста, инженерам также пришлось бы оптимизировать ее для переменных распределений веса, сильных ветров, землетрясений и других условий. Это моделирование может использоваться для обеспечения того, чтобы основание, краноподобные конструкции и кабели могли выдерживать те силы, которые они будут испытывать в полевых условиях.
В результате инженеры могут найти «ахиллесову пяту» своего проекта и сосредоточиться на оптимизации, пока они не будут уверены, что структура уцелеет в реальном мире. Как правило, эта оптимизация будет состоять из изменения геометрии, поперечного сечения, материалов и размещения подвесных объектов и аккордов.
Остались вопросы по созданию таких конструкций? Ознакомьтесь с нашими курсами по подготовке расчетных моделей и моделированию прочности по ссылке https://elearning.digitaltwin.ru/service-on-demand/online-module/ или напишите нам через форму обратной связи https://elearning.digitaltwin.ru/contact-us/, и вместе мы подберем необходимый именно вам курс обучения!
Источник статьи: https://www.ansys.com/blog/design-floating-structures-tensegrity