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函数传递法求解悬链线问题

马艳红 时成龙 洪杰 李超

马艳红, 时成龙, 洪杰, 等 . 函数传递法求解悬链线问题[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(10): 1933-1940. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0367
引用本文: 马艳红, 时成龙, 洪杰, 等 . 函数传递法求解悬链线问题[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(10): 1933-1940. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0367
MA Yanhong, SHI Chenglong, HONG Jie, et al. Solving catenary problem using function transfer method[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(10): 1933-1940. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0367(in Chinese)
Citation: MA Yanhong, SHI Chenglong, HONG Jie, et al. Solving catenary problem using function transfer method[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(10): 1933-1940. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0367(in Chinese)

函数传递法求解悬链线问题

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0367
详细信息
    通讯作者:

    马艳红, E-mail: mayanhong@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V239

Solving catenary problem using function transfer method

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  • 摘要:

    悬链线问题是一类经典又多变的力学问题,其曲线构形指导着桥梁等工程应用的结构设计。为了求得结构特征或载荷特征不同的悬链线的变形,提出了一种基于传递矩阵法思想的、通用性较好的求解方法。首先,提炼出悬链力学模型,将悬链顺序划分成若干简单单元,结合单元力平衡和本构-几何关系解得单元特征函数方程组,顺序嵌套单元特征函数方程组获得整体特征函数方程组;然后,使用离散Newton迭代法对该非线性方程组进行求解,获得悬链的受力和变形;最后,算例验证了结果与解析解的一致性。函数传递法对具有复杂结构特征和载荷特征的悬链线问题有很好的适用性,对求解其他可划分为若干首尾相接结构单元的结构系统的广义变形也适用。

     

  • 图 1  悬链结构系统力学模型

    Figure 1.  Mechanical model of cable chain structure system

    图 2  单元受力分析

    Figure 2.  Load analysis of element

    图 3  结构变形求解流程

    Figure 3.  Flowchart for solving structure deformation

    图 4  刚体杆件单元受力分析

    Figure 4.  Load analysis of rigid rod element

    图 5  悬链线解析解与数值解曲线

    Figure 5.  Analysis and numerical solution curves of catenary

    图 6  两组悬链线解

    Figure 6.  Two groups of catenary solutions

    图 7  不同跨长比的悬链线

    Figure 7.  Catenary with different span/length ratios

    图 8  悬链线构形参数间的变化关系

    Figure 8.  Relationship between configuration parameters of catenary

    图 9  经典悬链线解与附加重物悬链线解

    Figure 9.  Classical catenary solution and catenary with additional weight

    图 10  经典悬链线解与带弹性悬链线解

    Figure 10.  Classical catenary solution and catenary with elasticity

    图 11  经典悬链线与悬索桥曲线

    Figure 11.  Classical catenary and suspension bridge curve

    图 12  经典悬链线与跳绳曲线

    Figure 12.  Classical catenary and rope skipping curve

    表  1  常见边界条件参数

    Table  1.   Common boundary condition parameters

    边界条件 挠度 挠角 弯矩 剪力
    简支 0 θx 0 Fx
    自由 yx θx 0 0
    弹性支承 yx θx 0 Kspringyx
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    表  2  悬链算例参数

    Table  2.   Example parameters of catenary

    参数 数值
    跨度Lspan/m 1.5
    索链总长Lline/m 2.0
    横截面圆半径Rline/m 1.0×10-3
    材料密度ρ/(kg·m-3) 7 800
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    表  3  悬链算例结果

    Table  3.   Example results of catenary

    解析/数值解 高低差Δy/m 索端水平拉力Fx-end/N 索端角θend/(°)
    解析解 0.588 6 0.0137 8 60.96
    数值解 0.589 5 0.0135 9 59.72
    相对误差/% 0.15 -1.4 -2.0
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-29
  • 录用日期:  2020-09-11
  • 网络出版日期:  2021-10-20

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