使用木-木节点的自由形式木板结构的结构分析的设计框架
关键词：
木板结构，木-木节点，数字化制造，有限元法，半刚性，弹簧模型
摘要：
数字化制造使得应用木-木节点的复杂几何木板结构的设计越来越多。尽管他们的制造已经应用了计算机辅助设计程序实现自动化，但是关于用于结构设计的自动化数值工具的研究仍然相当有限。这篇文章讲述了一个方法，这个方法可以自动生成用于结构分析的有大量节点的有限元模型。该模型以最近发展的双层木材板壳结构为例。结果表明半刚性弹簧模型得到的竖向位移与小型模型的试验结果基本吻合，而节点的刚性模型大大低估了结构的位移。结果表明，节点的半刚性在平移和旋转时对模型影响很大。数值模型的建立成功地实现了大型结构的自动化。
1、引言
受传统木-木节点[1]的启发，信息工具技术的最新发展促进了计算机数控(CNC)木-木节点的发展。这些接头最初用于木框架结构，最近被应用于木板结构，它们由沿其边缘相互连接的离散薄木板组装而成。因此，数字化制造技术使得结构设计可以具有复杂的几何形状。研究人员已经研究了各种形态的拓扑，如分段板壳(例如ICD/ITKE研究馆2011[2]和兰德斯嘉措展览馆[3])和折叠板块结构(例如洛桑维迪剧院[4])。虽然这些结构的装配仍然是手工进行的，但利用计算机辅助设计(CAD)编程和自动预制工具，设计和制造已经成功地实现了自动化。然而，集中于开发用于复杂几何结构的木结构结构分析的自动化工具的研究并不多。但是我们需要一个可以准确预测结构的力学行为且具有计算效率的模型。由于此类复杂结构的解决方法难以求出，所以一般建立基于有限元法的数值模型。然而，由于三维（3D）建模涉及到大量的三维实体单元，因此需要简化模型，计算成本太高[5]。此外，具有不同接头参数的奇异形状板的复杂结构需要模型的自动生成。
本文以最近开发并应用于卢森堡曼特那赫市的Annen办公室的双层双曲木板材壳为例，介绍了应用木-木节点且为自由形式的木板壳结构分析的设计框架。摘要在已有的由Robeller等人开发的双层双曲木板壳结构设计制作文件生成框架的基础上，利用CAD程序和Python编程语言中的自定义代码生成有限元模型。这样建立了小尺度和大尺度结构的有限元模型。最后，对小型原型进行了结构分析，并与试验结果进行了比较，从而对有限元模型进行了评价。
2、文献综述
2.1 木板结构和木-木节点
第一种壳结构使用木-木节点来装配平面离散板，它由单凸耳槽接头组成(例如蛇形馆2005[7]和瑞士馆2005[8])。木材板材边缘的多个接头，类似于传统的橱柜制造中使用的多燕尾榫接头，随后得到了进一步发展。在使用了1-平面关节（2011年的ICD/ITKE研究[9])之后，斯图加特大学开发了2-平面手指关节。它们被应用于2011年的斯图加特世博会和地下花园景色厅[3]的分段板壳中。单自由度(1自由度)关节最终由Robeller[1]开发。这些多凸耳槽形接头(MTSJ)由三个角度theta;1，theta;2，theta;3几何定义。这三个布莱恩特角，即欧拉角[11]的xyz相对位置，影响着关节的机械行为。MTSJ除了定位功能外，还有承载功能。事实上，它们确定了板的位置，使板的直接组装成为可能，且不需要复杂而昂贵的模板。与3自由度(3自由度)的指状关节[1]相比，它们除了提供高转动刚度外，还具有高平面内剪切阻力、高轴向力阻力和高平面外心力阻力的优点。本发明适用于薄板、双层折叠板结构[12,4]，近年来又发展了双层双曲木板壳结构。后者使用贯穿榫节点，称为MTSJ-TT或封闭缝节点，由Rocheetal .[13]开发。
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