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《全張力_張力集成體系的基本概況》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、第3卷第2期空間結(jié)構(gòu)1997年5月X全張力、張力集成體系的基本概況夏紹華董明錢(qián)若軍(河海大學(xué)南京210024)(同濟(jì)大學(xué)上海200092)摘要全張力、張力集成體系是由集成單元根據(jù)一定的規(guī)則組合而成的一種特殊的空間結(jié)構(gòu)。本文首先總結(jié)了全張力、張力集成體系的基本概念,回顧了該體系的歷史發(fā)展過(guò)程,探討了多面體幾何與張力集成單元之間的關(guān)系、多面體幾何與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性問(wèn)題,從而形成了對(duì)張力集成單元的基本認(rèn)識(shí)。本文還論述了全張力體系的結(jié)構(gòu)特性,并探討了全張力體系的工程應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞全張力體系張力集成體系集成單元索穹頂結(jié)構(gòu)一、全張力、張力集成體系全張力體系
2、或張力集成體系(TensegritySystem)最初可追溯到1921年,早期的工作是由Emmerich完成的,至今主要的工作已持續(xù)了不少于70年之久,而Snelson的工作則可視為實(shí)現(xiàn)該體系的一個(gè)起點(diǎn),尤其是在應(yīng)用于城市雕塑等藝術(shù)造型方面。Emmerich和Fuller成功地對(duì)該體系進(jìn)行了大量的幾何形態(tài)方面的研究,此后,Pugh在他的專著中也對(duì)此作了詳盡的闡述,他們所進(jìn)行的基本研究都是多面體幾何。在過(guò)去的十來(lái)年中,科學(xué)家們相繼開(kāi)展了對(duì)全張力體系的力學(xué)研究,并建立了相應(yīng)的理論體系以對(duì)該種結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模(modeling)。Tardiva2cau
3、、Siestrunck、Calladine、Pellegrino、Roth和Whiteley、Vilnay、Tarnai以及Hanaor等均對(duì)此研究作出了貢獻(xiàn)。與此同時(shí),Motro、Najari、Belkacem和Crosnier等也在他們的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的研究工作。而在實(shí)際工程中的應(yīng)用則首先由Geiger、Emmerich、Vilnay、Hanaor及Motro等人開(kāi)創(chuàng),并由Levy等人作了發(fā)展。全張力體系由各人基于結(jié)構(gòu)原理、幾何或力學(xué)概念等可給出不同的定義,雖然眾說(shuō)紛紜,但其基本點(diǎn)卻在于使大部分材料處于受壓或受拉。這是有很大區(qū)別的,因?yàn)?/p>
4、前者易發(fā)生屈曲。注意到長(zhǎng)壓桿的屈曲風(fēng)險(xiǎn)后,R1L1Ricolais認(rèn)為有必要研究可提供必需的穩(wěn)定條件的張力結(jié)構(gòu)。Fuller對(duì)全張力體系的初步認(rèn)識(shí)是:“Tensegrity這個(gè)詞是一個(gè)發(fā)明,這是全張力或張力集成(Tensionalintegrity)的縮寫(xiě)。這里,張力是全方向的連貫。全張力體系是固有的并非多余的結(jié)構(gòu)最優(yōu)的工作效率的集成。”X文稿收到日期:1996111122。3參照了Fuller的工作之后,Pugh給出了可描述全張力體系的不同方面的定義:“全張力體系是一組不連續(xù)的受壓元件與一組連續(xù)的張力元件交互形成的一個(gè)穩(wěn)定空間”。Emmer
5、ich曾對(duì)此作過(guò)“自應(yīng)力結(jié)構(gòu)”的定義,他認(rèn)為“自應(yīng)力結(jié)構(gòu)是由桿件和索段組成”。桿和索以某種方式裝配,使桿件被連續(xù)的索元所隔離,所有的這些單元必須剛性地被張成且同時(shí)被預(yù)應(yīng)力所互鎖。這些預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生于索元的內(nèi)部應(yīng)力,而并不需要由外部加載或張拉錨接。整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地支持著,像一個(gè)自支承結(jié)構(gòu)。“自應(yīng)力”一詞蓋出于此。Roth和Whiteley從另一個(gè)角度來(lái)定義全張力體系。他們認(rèn)為全張力體系為桿元、索元和桅桿構(gòu)成:桿元使任意一對(duì)節(jié)點(diǎn)維持一定的距離,索使其各對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的距離置于上限,即索元節(jié)點(diǎn)的距離趨于最大,而桅桿則使其置于距離的下限,即桅桿節(jié)點(diǎn)的距離趨于最
6、小。這種定義是由桿、索和桅桿所組成的構(gòu)形來(lái)歸納的。Whiteley用數(shù)學(xué)方法并加以公式化:在圖G(P)t?x?中,一個(gè)張力集成構(gòu)形被表示為曲線圖(V;E-,E0,E+)和集合P∑R。如(i,j)E=E-∪E0∪E+,則Pi=Pj。在E-域內(nèi)的桿件為索元,E0內(nèi)為桿元,而E+為桅桿。加拿大學(xué)者首先采用圖論來(lái)研究全張力體系的拓?fù)?研究涉及到一般的數(shù)學(xué)方法及拓?fù)湓谌S空間中的實(shí)現(xiàn),并且著重警告設(shè)計(jì)者應(yīng)避免獲得不穩(wěn)定的解。Motro研究球面系統(tǒng)中的拓?fù)?壓桿呈偶圖而受拉桿單元?jiǎng)t為平面圖。基于此,他提出了一個(gè)算法以構(gòu)造具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)結(jié)構(gòu)。以上各種定
7、義相互之間毫無(wú)關(guān)聯(lián),為了更好地發(fā)展全張力體系,有必要對(duì)它們加以了解。將上述各種對(duì)Tensegrity系統(tǒng)所作的定義作一比較后可發(fā)現(xiàn),Tensegrity的關(guān)鍵是:剛度系由受張力的索與桿件之間處于自應(yīng)力平衡態(tài)中獲得。以上各種定義雖然出于幾何、力學(xué)和構(gòu)造等各方面的考慮,但都是從各方面來(lái)描述Tensegrity系統(tǒng)的特點(diǎn),直接了當(dāng)?shù)亟沂净虮磉_(dá)了這類系統(tǒng)的特點(diǎn),而且以此定義這類體系。體系的基本特點(diǎn)是最大限度地處于連續(xù)的張力狀態(tài),而壓桿只是“少數(shù)的孤立的孤島”;至于自平衡或自支承是提供體系處于張力狀態(tài)的前提或措施。因此,Tensegrity系統(tǒng)是一種功
8、能結(jié)構(gòu)元件系統(tǒng)的集成,但不是簡(jiǎn)單的組合。系統(tǒng)中的桿元、索元及桅桿并不各自呈桁架、懸索結(jié)構(gòu)或框架的性狀,故并不是結(jié)構(gòu)的組合。另一方面,Tensegrity系統(tǒng)的特點(diǎn)是
