CN101798848B - 使用机械运动模拟模型动态模拟张拉结构施工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用机械运动模拟模型动态模拟张拉结构的施工的方法，包括：步骤102，从所述张拉结构的有限元模型中提取用于建立机械运动模拟模型的数据文件；步骤104，根据所述数据文件建立所述机械运动模拟模型；步骤106，采用机械多刚体系统动力分析方法，结合所述机械运动模拟模型对所述张拉结构的施工过程进行时域特性仿真。通过上述方法，可以实现对张拉结构进行良好的施工模拟。

Description

使用机械运动模拟模型动态模拟张拉结构施工的方法

技术领域

本发明涉及一种使用机械运动模拟模型动态模拟张拉结构的施工过程的方法。

背景技术

土木建筑这个古老的行业在近代随着计算机技术的飞速发展而日新月异，新技术，新方法，新建筑形式不断涌现。土建工程建设一般分为设计和施工两大部分，对于传统的土建设计，因为人们积累的施工经验很丰富，不需要计算机施工模拟技术，工程施工也能顺利完成。而对于近30年发展起来的很多新型建筑形式，即包括悬索结构，张拉膜结构，可展开折叠结构，张拉整体结构，索穹顶结构，张弦结构等的大变形大跨度张拉空间结构，人们的认识还很不完善。

张拉结构的共同特点是：

1)必须考虑结构的形状随荷载变化而产生的改变，按变形后的位置来建立平衡条件，这就属于固体力学中的几何非线性问题。

2)结构在没有施加预应力以前没有刚度，其形状是不确取定的。必须通过施加适当预应力使结构具有一定的形状，才能成为承受外荷载的结构。

3)施工的过程就是施加预应力以形成结构刚度的过程，是从柔软的且形状不定的状态转化为牢固稳定状态的过程。结构构件相互牵扯整体位置改变可达几十米，同时构件之间相互位置改变也可达到十几米。

4)构件之间多为可旋转铰链接，因此施工过程类似于整个结构体系从初始位置到设计位置的机械运动过程。

传统钢结构、钢筋混凝土结构、砖石结构与张拉结构的区别：

1)传统结构的形状随荷载变化而产生的改变较小，一般可按线性问题考虑。

2)结构中一般不加预应力，即便有少量构件施加了预应力，对结构的整体形状也不会产生很大影响。

3)结构施工过程可以看成刚性构件不断累加的过程，构件之间的位置一般是不会有很大变化。

4)构件之间多为不能移动和转动的刚性连接，因此施工过程类似于一个搭积木的过程，不会存在大量构件整体机械运动的现象。

由以上可以认识到，张拉结构往往都是柔性体系-在结构成型之前构件体系形态不固定，而且跨度大，施工步骤复杂。不夸张地说，施工过程 的计算分析的工作量甚至超过设计分析的工作量。这就使得施工模拟技术成为新型建筑形式能否顺利实现的瓶颈技术。

现有的施工模拟技术包括传统建筑结构施工模拟技术以及大跨度张拉空间结构施工静态模拟技术。

其中，传统建筑结构施工模拟技术：

基本都是采用有限元静态分析中的单元生死技术来模拟安装过程的。所谓静态分析是指结点上的未知量只有位移，而不会包括速度和加速度，即不会考虑时间因素

单元生死技术的使用一般按照如下步骤：

1)在前处理器中建模时，必须一次性将所有单元创建好。

2)一开始将所有单元杀死，然后按照施工安装步骤逐步激活安装构件单元，如桥梁施工过程

3)另一种情况是单元开始都处于生的状态，而后会经历部分单元的不断杀死，同时也伴随部分单元被激活。如在土建基坑开挖过程中，土层不但开挖，同时又不断加固围衬，防止滑坡。

4)对于被杀死的单元，处理方法是将单元刚度矩阵乘以一个很小的因子，并不是真正将其从模型中删除。被杀死的单元载荷为零，质量、阻尼、比热、应变和其他同类特性均等于零

5)当死单元被重新激活时，其刚度、质量、单元荷载等都将恢复其原始真实值。再生单元应变为零，如果存在初应变，则可以通过单元实常数方式输入。

6)施工模拟时需要人为划分出若干个阶段，在相邻阶段的临界处杀死或激活某些单元，然后通过静力分析得到需要验证的力学指标，检验其是否满足施工中的各项要求，如设备承受能力，位移安全限制等。但在阶段内部则无法检验是否会有力学指标突变或机构锁死的现象。

大跨度张拉空间结构施工静态模拟技术：

现在都是使用有限元静态分析中的单元删除技术。具体方法如下。

1)由于在施工模拟时划分的各个阶段，结构整体形状和构件相互位置变化较大，所以不能一次性将所有单元创建好，必须分阶段建模。

2)采用逆序拆除法。由于结构的最终形状和预应力分布情况在施工前已经在设计阶段都确定了，而施工开始时的结构的初始形状和预应力分布却是任意的。所以只能从结构的最终形态开始将所有单元创建好并施加预应力到设计值，然后分阶段将部分单元删除，此时剩下的结构处于不平衡状态，通过静力计算它会调整自己的形状和预应力的分布达到一个新的平衡状态。再以这个新的平衡态为基础删除另一部分单元，在静力计算中寻找新的平衡态。重复以上过程直至施工开始时的结构的初始形态。

3)与传统建筑结构施工模拟技术相比，单元不是杀死或激活而是真正从模型中删除，静力计算分析不只是为了求出力学指标的值，还起到了“找形”的作用----即获得下一阶段结构形状和预应力分布的作用。

4)同样在阶段内部则无法检验是否会有力学指标突变或机构锁死的现象。

上述两种施工模拟技术都不能很好地对张拉结构进行模拟。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种使用机械运动模拟模型动态模拟张拉结构的施工过程的方法，包括：步骤102，从所述张拉结构的有限元模型中提取用于建立机械运动模拟模型的数据文件；步骤104，根据所述数据文件建立所述机械运动模拟模型；步骤106，采用机械多刚体系统动力分析方法，结合所述机械运动模拟模型对所述张拉结构的施工过程进行时域特性仿真。

在上述技术方案中，所述步骤102包括：提取确定所述有限元模型中的构件的性质、形状、位置和连接关系的数据，并将所述数据输入所述数据文件。

在上述技术方案中，所述步骤104包括：根据所述数据文件，建立表示所述构件的刚性体，以及建立用于连接所述构件的连接件，由此得到所述机械运动模拟模型。

在上述技术方案中，所述构件包括索、杆、梁和膜或其任意组合，所述索包括直线索、悬垂索、直线放长索和悬垂缩短索或其任意组合，所述杆包括定长杆和伸缩杆或其任意组合。

在上述技术方案中，在所述构件为所述直线索时，建立表示所述构件的刚性体的过程包括：在所述构件为所述直线索时，建立第1刚性圆柱体、第2刚性圆柱体和第1轴套以表示所述直线索，所述第1刚性圆柱体和所述第2刚性圆柱体在一条直线上，所述第1刚性圆柱体的第一端对应所述直线索的起点位置，所述第2刚性圆柱体的第二端对应所述直线索的终点位置，所述第1刚性圆柱体的第二端和所述第2刚性圆柱体的第一端通过所述第1轴套连接，在所述第1轴套上设置所述直线索的刚度和预应力，所述第1刚性圆柱体、所述第2刚性圆柱体和所述第1轴套的长度之和等于所述直线索的长度；在所述构件为所述悬垂索时，建立第3刚性圆柱体、第4刚性圆柱体和第2轴套以表示所述悬垂索，所述第3刚性圆柱体的第一端和第二端分别对应所述悬垂索的起点位置和中点位置，所述第4刚性圆柱体的第一端和第二端分别对应所述悬垂索的终点位置和中点位置，所述第3刚性圆柱体的第二端和所述第4刚性圆柱体的第二端通过所述第2轴套连接，在所述第2轴套上设置所述悬垂索的刚度和预应力，所述第3刚性圆柱体和所述第4刚性圆柱体的长度之和等于所述悬垂索的长度；在所述构件为所述直线放长索时，建立第5刚性圆柱体、第6刚性圆柱体、第7刚性圆柱体、第3轴套和第1直线移动副以表示所述直线放长索，所述第5刚性圆柱体、所述第6刚性圆柱体和所述第7刚性圆柱体在同一条直线上，所述第5刚性圆柱体的第一端对应所述直线放长索的起点位置，所述第7刚性圆柱体的第一端对应所述直线放长索的终点位置，所 述第5刚性圆柱体 

第二端和所述第6刚性圆柱体的第一端通过所述第3轴套连接，在所述第3轴套上设置所述直线放长索的刚度和预应力，所述第6刚性圆柱体的第二端和所述第7刚性圆柱体的第二端由所述第1直线移动副连接，在所述第1直线移动副上设置第1千斤顶的移动速度，所述第5刚性圆柱体、第6刚性圆柱体、所述第7刚性圆柱体和所述第3轴套的长度之和为所述直线放长索的长度；在所述构件为所述悬垂缩短索时，建立第8刚性圆柱体、第9刚性圆柱体、第10刚性圆柱体、第4轴套和第2直线移动副以表示所述悬垂缩短索，所述第8刚性圆柱体的第一端和第二端分别对应所述悬垂缩短索的起点位置和中点位置，所述第9刚性圆柱体的第一端对应所述悬垂缩短索的中点位置，所述第10刚性圆柱体的第一端对应所述悬垂缩短索的终点位置，所述第8刚性圆柱体的第二端和所述第9刚性圆柱体的第一端通过所述第4轴套连接，在所述第4轴套上设置所述悬垂缩短索的刚度和预应力，所述第9刚性圆柱体的第二端和所述第10刚性圆柱体的第二端通过所述第2直线移动副连接，在所述第2直线移动副上设置第2千斤顶的移动速度，所述第8刚性圆柱体、所述第9刚性圆柱体和所述第10刚性圆柱体的长度之和为所述悬垂缩短索的长度。

在上述技术方案中，建立表示所述构件的刚性体的过程还包括：在所述第1直线移动副上建立第1传感器，所述第1传感器用于根据所述第1千斤顶的位置，自动启动或停止所述第1千斤顶；在所述第2直线移动副上建立第2传感器，所述第2传感器用于根据所述第2千斤顶的位置，自动启动或停止所述第2千斤顶。

在上述技术方案中，在所述构件为所述杆时，建立表示所述构件的刚性体的过程包括：在所述构件为所述定长杆时，建立第11刚性体以表示所述定长杆，所述第11刚性圆柱体的第一端和第二端分别对应所述定长杆的起点位置和终点位置；在所述构件为所述伸缩杆时，建立第12刚性圆柱体、第13刚性圆柱体和第3直线移动副以表示所述伸缩杆，所述第12刚性圆柱体和所述第13刚性圆柱体在同一条直线上，所述第12刚性圆柱体的第一端对应所述伸缩杆的起点位置，所述第13刚性圆柱体的第一端对应所述伸缩杆的终点位置，所述第12刚性圆柱体的第二端和所述第13刚性圆柱体的第二端通过所述第3直线移动副连接，在所述第3直线移动副上设置第3千斤顶的移动速度。

在上述技术方案中，建立表示所述构件的刚性体的过程还包括：在所述第3直线移动副上建立第3传感器，所述第3传感器用于根据所述第3千斤顶的位置，自动启动或停止所述第3千斤顶。

在上述技术方案中，在所述构件为所述梁时，建立表示所述构件的刚性体的过程包括：建立多个等长的刚性短圆柱体和无质量梁以表示所述梁，所述多个等长的刚性短圆柱体在同一条直线上，所述刚性短圆柱体的第一个的第一端对应所述梁的起点位置，所述刚性短圆柱体的最后一个的 第二端对应所述梁的终点位置，在相邻两个所述刚性短圆柱体之间建立所述无质量梁，并在所述无质量梁上设置惯性矩、弹性模量、剪切模量、截面积和计算长度。

在上述技术方案中，在所述构件为所述膜时，建立表示所述构件的刚性体的过程包括：建立多个刚性三角板的组合以表示所述膜的形状，在所述多个刚性三角板的顶点之间的交点处建立第1实心球体，每一个所述交点处的所述第1实心球体和所述顶点由第5轴套连接，并在所述第5轴套上设置所述膜的刚性系数、扭转刚度和经纬两个方向的预应力。

在上述技术方案中，建立用于连接所述构件的连接件的过程包括：在所述机械运动模拟模型中，确定不包括所述膜的所述构件的交点的对应位置，在所述对应位置上建立第2实心球体，每一个所述对应位置上的所述第2实心球体与刚性体由铰连接或固接连接，在所述第2实心球体上施加集中力。

在上述技术方案中，所述步骤106包括：通过所述时域特性仿真，获取所需信息，以即时表示所述张拉结构的形状变化和预应力分布。

在上述技术方案中，所述所需信息包括：所需时间点上所述构件静力平衡的内力值，和所需时间段上所述构件的位置、速度和所述内力值随时间变化的曲线。

在上述技术方案中，所述步骤106还包括：更新必要数据以更新所述数据文件，并返回步骤102，其中，所述必要数据包括：所述第1和2实心球体的位置，所述第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和13刚性圆柱体的长度，所述第1、2、3和4轴套的预应力，所述第1、2和3千斤顶的移动速度，所述第1、2和3传感器的重新设置，所述刚性短圆柱体的长度，所述无质量梁上的所述计算长度，以及所述经纬两个方向的预应力。

通过上述技术方案，可以良好地实现对大变形大跨度张拉结构的施工模拟。

附图说明

图1是根据本发明的使用机械运动模拟模型动态模拟张拉结构的施工过程的方法的流程图；

图2是根据本发明的一个实施例的功能模块工作流程的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的功能模块工作流程的示意图；

图4A-4G是根据本发明的一个实施例的各功能模块内部用例的示意图；

图5A-5I是根据本发明的一个实施例的各功能模块的内部工作流程的示意图；

图6A-6F是根据本发明的一个实施例的程序操作界面的示意图。

具体实施方式

下面将详细参考本发明的优选实施例，根据附图来描述优选实施例的示例。

名词解释：

1.悬索结构：是以一系列受拉的索作为主要受力构件，并将其按一定规律排列组成各种形式的体系后，悬挂到相应的支承结构上。悬索结构通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载作用，它可以充分地利用材料的强度，大大减轻结构自重，使得其在保证经济性的情况下能够跨越较大的跨度。

2.张拉膜结构：是通过给高强度薄膜材料直接施加预应力使之具有刚度并承担外荷载的结构形式，索和其他支承结构成为支承膜材并为其施加预应力的构件而共同作用。

3.可展开折叠结构：结构在未使用时可收缩折叠成捆状或其他形状储存或运输，使用时可方便地在现场展开成型，迅速构成整体结构。

4.张拉整体结构：就是一组不连续的压杆与一组连续的受拉索组成的自支承、自应力平衡的空间体系。这种结构体系的刚度由受拉索和受压杆之间的平衡预应力提供，在施加预应力之前，结构几乎没有刚度，并且初始预应力的值对结构的外形和结构的刚度的大小起着决定作用。

5.索穹顶结构：支承在圆形刚性周边构件上的预应力拉索-压杆体系，索沿环向和径向布置，并用膜材作屋顶。

6.张弦结构：是一种由刚性构件上弦、柔性拉索下弦、中间连以撑杆形成的混合结构体系。根据刚性上弦的不同构成，张弦结构体系可分为张弦梁、张弦平面桁架、索承网壳等都多种结构形式。

7.有限元法的基本思想：是将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。然后利用每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数，一旦求解出各个结点上的数值，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。

图1是根据本发明的使用机械运动模拟模型动态模拟张拉结构的施工过程的方法的流程图。

如图1所示，本发明提供了一种使用机械运动模拟模型动态模拟张拉结构的施工过程的方法，包括：步骤102，从所述张拉结构的有限元模型中提取用于建立机械运动模拟模型的数据文件；步骤104，根据所述数据文件建立所述机械运动模拟模型；步骤106，采用机械多刚体系统动力分析方法，结合所述机械运动模拟模型对所述张拉结构的施工过程进行时域特性仿真。

在上述技术方案中，所述步骤102包括：提取确定所述有限元模型中的构件的性质、形状、位置和连接关系的数据，并将所述数据输入所述数据文件。

在上述技术方案中，所述步骤104包括：根据所述数据文件，建立表 示所述构件的刚性体，以及建立用于连接所述构件的连接件，由此得到所述机械运动模拟模型。

在上述技术方案中，所述构件包括索、杆、梁和膜或其任意组合，所述索包括直线索、悬垂索、直线放长索和悬垂缩短索或其任意组合，所述杆包括定长杆和伸缩杆或其任意组合。

在上述技术方案中，在所述构件为所述直线索时，建立表示所述构件的刚性体的过程包括：在所述构件为所述直线索时，建立第1刚性圆柱体、第2刚性圆柱体和第1轴套以表示所述直线索，所述第1刚性圆柱体和所述第2刚性圆柱体在一条直线上，所述第1刚性圆柱体的第一端对应所述直线索的起点位置，所述第2刚性圆柱体的第二端对应所述直线索的终点位置，所述第1刚性圆柱体的第二端和所述第2刚性圆柱体的第一端通过所述第1轴套连接，在所述第1轴套上设置所述直线索的刚度和预应力，所述第1刚性圆柱体、所述第2刚性圆柱体和所述第1轴套的长度之和等于所述直线索的长度；在所述构件为所述悬垂索时，建立第3刚性圆柱体、第4刚性圆柱体和第2轴套以表示所述悬垂索，所述第3刚性圆柱体的第一端和第二端分别对应所述悬垂索的起点位置和中点位置，所述第4刚性圆柱体的第一端和第二端分别对应所述悬垂索的终点位置和中点位置，所述第3刚性圆柱体的第二端和所述第4刚性圆柱体的第二端通过所述第2轴套连接，在所述第2轴套上设置所述悬垂索的刚度和预应力，所述第3刚性圆柱体和所述第4刚性圆柱体的长度之和等于所述悬垂索的长度；在所述构件为所述直线放长索时，建立第5刚性圆柱体、第6刚性圆柱体、第7刚性圆柱体、第3轴套和第1直线移动副以表示所述直线放长索，所述第5刚性圆柱体、所述第6刚性圆柱体和所述第7刚性圆柱体在同一条直线上，所述第5刚性圆柱体的第一端对应所述直线放长索的起点位置，所述第7刚性圆柱体的第一端对应所述直线放长索的终点位置，所述第5刚性圆柱体和第二端和所述第6刚性圆柱体的第一端通过所述第3轴套连接，在所述第3轴套上设置所述直线放长索的刚度和预应力，所述第6刚性圆柱体的第二端和所述第7刚性圆柱体的第二端由所述第1直线移动副连接，在所述第1直线移动副上设置第1千斤顶的移动速度，所述第5刚性圆柱体、第6刚性圆柱体、所述第7刚性圆柱体和所述第3轴套的长度之和为所述直线放长索的长度；在所述构件为所述悬垂缩短索时，建立第8刚性圆柱体、第9刚性圆柱体、第10刚性圆柱体、第4轴套和第2直线移动副以表示所述悬垂缩短索，所述第8刚性圆柱体、所述第9刚性圆柱体和所述第10刚性圆柱体在同一条直线上，所述第8刚性圆柱体的第一端和第二端分别对应所述悬垂缩短索的起点位置和中点位置，所述第9刚性圆柱体的第一端对应所述悬垂缩短索的中点位置，所述第10刚性圆柱体的第一端对应所述悬垂缩短索的终点位置，所述第8刚性圆柱体的第二端和所述第9刚性圆柱体的第一端通过所述第4轴套连接，在所述第4轴套上设置所述悬垂缩短索的刚度和预应力，所述第9刚性圆柱体 的第二端和所述第10刚性圆柱体的第二端通过所述第2直线移动副连接，在所述第2直线移动副上设置第2千斤顶的移动速度，所述第8刚性圆柱体、所述第9刚性圆柱体和所述第10刚性圆柱体的长度之和为所述悬垂缩短索的长度。

在上述技术方案中，建立表示所述构件的刚性体的过程还包括：在所述第1直线移动副上建立第1传感器，所述第1传感器用于根据所述第1千斤顶的位置，自动启动或停止所述第1千斤顶；在所述第2直线移动副上建立第2传感器，所述第2传感器用于根据所述第2千斤顶的位置，自动启动或停止所述第2千斤顶。

在上述技术方案中，在所述构件为所述杆时，建立表示所述构件的刚性体的过程包括：在所述构件为所述定长杆时，建立第11刚性体以表示所述定长杆，所述第11刚性圆柱体的第一端和第二端分别对应所述定长杆的起点位置和终点位置；在所述构件为所述伸缩杆时，建立第12刚性圆柱体、第13刚性圆柱体和第3直线移动副以表示所述伸缩杆，所述第12刚性圆柱体和所述第13刚性圆柱体在同一条直线上，所述第12刚性圆柱体的第一端对应所述伸缩杆的起点位置，所述第13刚性圆柱体的第一端对应所述伸缩杆的终点位置，所述第12刚性圆柱体的第二端和所述第13刚性圆柱体的第二端通过所述第3直线移动副连接，在所述第3直线移动副上设置第3千斤顶的移动速度。

在上述技术方案中，建立表示所述构件的刚性体的过程还包括：在所述第3直线移动副上建立第3传感器，所述第3传感器用于根据所述第3千斤顶的位置，自动启动或停止所述第3千斤顶。

在上述技术方案中，在所述构件为所述梁时，建立表示所述构件的刚性体的过程包括：建立多个等长的刚性短圆柱体和无质量梁以表示所述梁，所述多个等长的所述刚性短圆柱体在同一条直线上，所述刚性短圆柱体的第一个的第一端对应所述梁的起点位置，所述刚性短圆柱体的最后一个的第一端对应所述梁的终点位置，在相邻两个所述刚性短圆柱体之间建立所述无质量梁，并在所述无质量梁上设置惯性矩、弹性模量、剪切模量、截面积和计算长度。

在上述技术方案中，在所述构件为所述膜时，建立表示所述构件的刚性体的过程包括：建立多个刚性三角板的组合以表示所述膜的形状，在所述多个所述刚性三角板的顶点之间的交点处建立第1实心球体，每一个所述交点处的所述第1实心球体和所述顶点由第5轴套连接，并在所述第5轴套上设置所述膜的刚性系数、扭转刚度和经纬两个方向的预应力。

在上述技术方案中，建立用于连接所述构件的连接件的过程包括：在所述机械运动模拟模型中，确定不包括所述膜的所述构件的交点的对应位置，在所述对应位置上建立第2实心球体，每一个所述对应位置上的所述第2实心球体与刚性体由铰连接或固接连接，在所述第2实心球体上施加集中力。

在上述技术方案中，所述步骤106包括：通过所述时域特性仿真，获取所需信息，以即时表示所述张拉结构的形状变化和预应力分布。

在上述技术方案中，所述所需信息包括：所需时间点上所述构件静力平衡的内力值，和所需时间段上所述构件的位置、速度和所述内力值随时间变化的曲线。

在上述技术方案中，所述步骤106还包括：更新必要数据以更新所述数据文件，并返回步骤102，其中，所述必要数据包括：所述第1和2实心球体的位置，所述第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和13刚性圆柱体的长度，所述第1、2、3和4轴套的预应力，所述第1、2和3千斤顶的移动速度，所述第1、2和3传感器的重新设置，所述刚性短圆柱体的长度，所述无质量梁上的所述计算长度，以及所述经纬两个方向的预应力。

图2是功能模块工作流程的示意图。

如图2所示，根据本发明的一个实施例在国内外首次采用机械多刚体系统动力学分析方法对土建柔性结构体系的施工过程进行时域特性仿真，即在仿真的每一时刻，均能给出系统中每一部件的位置、速度和方位，以及约束和柔性连接中的约束力。具体方法如下：

1)模型转换：土建结构体系中的构件都是柔性的(是可以变形的而且是有内力变化的)，但整个体系不能产生机构运动；而机械系统中的部件是刚性的(不产生变形的也就没有内力)，但整个系统可以产生某种协调的机构运动。为了克服这个矛盾，采用的方法是将一个柔性体构件离散成多个刚性体，在相邻刚性体之间建立柔性连接以模拟变形和内力，这样整个系统既能产生协调的机构运动，又能模拟出构件的变形和内力变化。结构体系既可以一次性将所有构件创建好，也可以分阶段建模。

2)分阶段系统状态更新：一般机械系统仿真时内部构件一般是不增加或减少的，构件的空间位置和内力值只作为状态参数储存，并不作为显式存在；而建筑施工过程中构件是分阶段不断添加的，所以需要将上一阶段结束时构件的空间位置和内力值作为显式变量导出来，用来在下一阶段重新建模时使用。

3)可以采用正序添加法或逆序拆除法：大跨度张拉空间结构施工动态模拟中最主要的施工机具是千斤顶，在机械系统中可以通过在刚体之间建立圆柱移动副并在移动副上施加铰驱动来模拟。这样移动副的来回移动就可以模拟千斤顶顶出或回收的运动过程，也就模拟了整个系统不断张紧的正序建造过程，或系统分阶段松弛的逆序拆除过程。

4)与大跨度张拉空间结构施工静态模拟技术相比，不仅能得到在仿真的每一时刻，系统中每一构件静力平衡的内力值，还能得到在整个仿真时间段内所有构件的位置、速度和内力值随着时间的连续变化曲线，即每一时刻整个体系结构形状和预应力分布。不存在力学指标突变或机构锁死的现象无法检验的问题。

5)通过在机械系统中创建传感器和设立脚本控制仿真来完成比较复杂的仿真任务：传感器可以在仿真过程中激发以下动作

a)当传感器检测到某事件发生时结束仿真。

b)改变求解器步长以防止发散。

c)改变仿真输入量

d)改变模型结构

在仿真脚本中，设计人员可以实现构思整个仿真过程，例如在某个时刻激发或解除某个千斤顶的工作，或在计算收敛困难时改变仿真步长和仿真总步数。通过这些手段，可以将整个施工模拟过程从一个人为粗糙干预的近似模拟过程转变成为一个半自动控制的机械运动过程。此为机械虚拟样机设计研究的常用手段，但在大型张拉空间结构施工中应用确是首次。

6)参数化建模和优化分析：根据分析需要，在建模时确定相关的关键变量，并将这些关键变量设置为设计变量。在分析时，只需要改变这些设计变量值的大小，整个系统就可以自动更新。有3种参数化的方法：

a)参数化点坐标，修改点坐标值，与参数化点相关联的对象都将自动更改。

b)参数化设计变量，如将柔性连接的刚度参数化。

c)运动方式参数化，如将千斤顶的移动速度参数化。

当多个设计变量同时发生变化时，整个系统的运动性能将会发生复杂的变化，这时就需要优化分析(即在一组可选的设计变量中，最小化或最大化某个目标函数，根据问题的类型，可以采取不同的优化算法以保证最优设计处于合理的取值范围)。例如几十个千斤顶同时工作，将每个千斤顶的移动速度定为设计变量，通过优化分析可以确定出每个千斤顶的移动速度的变化范围，此时目标函数是所有千斤顶受力总和最小，这样就可以在施工时使用较小吨位的千斤顶以降低施工费用。此为机械虚拟样机设计研究的常用手段，但在大型张拉空间结构施工中是首次应用。

其中，模型转换的具体步骤：

由于多刚体系统动力学分析方法对于机械仿真设计来说是很成熟的方法，很多种算法都能保证给出精确的数值解，所以对大型张拉空间结构体系的施工过程进行时域特性仿真的关键是模型转换，即将大尺度的土建构件用小尺度的机械部件来替代模拟而不减弱计算准确性，如何把张拉空间结构中广泛使用而在机械设计中不常用的预应力引入到模型中，以及前面提到的用刚性体模拟柔性体，荷载等效转换等等问题。只有这些问题都得到满意的解决，模拟的结果才能真实反映结构体系的运动情况，所以模型转换是本专利最有意义的创新部分。具体方法如下：

1)添加节点球：在所有索、杆、梁的交接点处添加一个实心球体，其目的有以下2点：

a)索、杆、梁可以分别与节点球建立各种可能的连接，如铰接副、固定副、球形副、万向副等，以模仿各种可能的机械运动的约束连接。

b)可以在节点球上施加集中力，使得模型转换时荷载偏差最小。

2)添加索：因为索的种类很多，是张拉结构中最重要的施工设备，所以共分成四种建模类型：

a)直线索：索在开始时是张紧的，这是最简单最基本的一类索。做法是在起点与终点直线之间先建立两根刚性圆柱体，在圆柱体之间创建一个机械连接中常用的轴套(一种可移动和旋转的圆柱形金属套管，用来模拟索的伸长和柔软的转动)。在轴套中可以设置索的刚度、和预应力。

b)悬垂索：索在开始时是松驰的，需要在空间先计算出悬垂折线中点，然后在起点与悬垂折线中点，及悬垂折线中点与终点之间建立两根刚性圆柱体，再在圆柱体之间创建一个轴套。在轴套中设置索的刚度、和预应力。

c)直线放长索：索在开始时是张紧的，但索端部安装有千斤顶，在施工时索被千斤顶不断放长。做法是在起点与终点直线之间先建立三根刚性圆柱体，在前两个圆柱体之间创建一个轴套，在轴套中可以设置索的刚度、和预应力。在后两个圆柱体之间创建一个直线移动副(移动副连接的两个部件只能相对直线移动)，在移动副上设置千斤顶的移动速度，在移动副上还可以添加传感器，千斤顶移动到设定位置时，触发传感器，传感器可以自动停止千斤顶移动，或在一段时间后自动重启千斤顶工作。

d)悬垂缩短索：索在开始时是松弛的，但索端部安装有千斤顶，在施工时索被千斤顶不断收紧。需要在空间先计算出悬垂折线中点，做法是在起点、悬垂中点和终点之间的折线上建立三根刚性圆柱体，在前两个圆柱体之间创建一个轴套，在轴套中可以设置索的刚度、和预应力。在后两个圆柱体之间创建一个直线移动副，在移动副上设置千斤顶的移动速度，在移动副上还可以添加传感器，用来自动停止或重启千斤顶移动。

3)添加立柱杆：立柱杆往往是一些非常粗壮的杆件，受到轴向压力变形也很小，千斤顶经常被安放在立柱底部起到顶升的作用，按照用途，可分成2种建模类型：

a)定长杆：做法是在起点与终点直线之间建立一根刚性圆柱体。

b)伸缩杆：做法是在起点与终点直线之间建立二根刚性圆柱体，在两个圆柱体之间创建一个直线移动副，在移动副上设置千斤顶的移动速度，在移动副上还可以添加传感器，用来自动停止或重启千斤顶移动。

4)添加梁：梁是土建设计中受力最复杂的构件，转换为机械设计中的部件也比较复杂。首先在起点与终点直线之间先建立一组等长的刚性短圆柱体，然后在相邻圆柱体之间建立无质量梁(没有质量，但可以在两个部件之间传递力和力矩)，在无质量梁上设置梁的惯性矩、弹性模量、剪切模量、截面积和计算长度。最后根据实际情况在梁的起点和终点设置铰接或固定连接约束。

5)添加膜：膜不同于前面的一维构件，它可以看成是由建立在三维空间中的很多个很薄的二维三角形折面组合而成的，膜内存在经纬两个方 向的预应力。转换时在所有三角形顶点处添加直径很小的节点球，在每个三角形处用一个刚性三角形板来代替，在三角形板和节点球之间的顶点处创建一个轴套，在轴套中可以设置膜的刚性系数、扭转刚度和预应力。

至此在大跨度张拉空间结构中所有常用的构件都已转化为机械仿真模拟中的各种部件，并构成一个可以连续运动的整体。为此编制了一个通用转换接口用于将土建结构有限元模型批处理快速转化为机械仿真模拟的模型。

其中，分阶段系统状态更新的具体步骤：

每安装完一批构件，整个结构体系无论是形态还是内力都有很大变化，因为机械仿真只能模拟现有构件的运动情况，当需要安装下一批构件时，又需要把上一次模拟时的最后结果导出来后，再添加上新一批构件重新建模。需要更新的内容包括：

1)节点球的空间位置；

2)各种索的刚性圆柱体的长度，轴套内的预应力；

3)移动副上千斤顶的移动速度，在移动副上传感器的重新设置；

4)梁的刚性圆柱体的长度，无质量梁上梁的计算长度；

5)膜内经纬两个方向的预应力。

一般机械仿真模拟是一个连续运动过程，不会在运动时还要添加或删除部件，所以分阶段系统状态更新是土建施工模拟的特有的要求，也是能否在两个专业交叉领域实现融合的关键技术，否则模拟精度和工作效率将大大降低。

在多刚体系统动力学分析的数值求解中：

多刚体系统动力学分析对于机械仿真设计来说是很成熟的方法，但却是首次应用于大变形大跨度张拉空间结构施工模拟中，在建模和求解器设置方面需要作一些必要的改进。

1)在建模时，考虑到大跨度张拉空间结构是刚形体和柔性连接的混合体，且构件尺寸和移动变位都很大，相对于一般机械多为刚性体且是小尺寸小变形。要保证求解器迭代计算收敛，刚性体之间的柔性连接必须约束住一部分自由度，即对于那些不可能的移动或转动自由度要尽量提前消除，以保证迭代计算在寻找收敛路径时能很快找到。

2)分析的一般步骤是首先进行静力学分析找到初始平衡位置；然后进行运动学分析，以确定结构约束设置是否合适，机构能否运动得起来；最后进行动力学分析，求解出各种作用力和位移变化值。在所有这些数值计算的时候，迭代计算有可能发散，可以采用以下方法来保证计算结果收敛：

a)静力学分析收敛后再进行动力学分析会缩短收敛的时间。

b)在开始求解阶段，结构整体运动方向不明确的时候减小积分步长，当结构已经开始顺畅运动的时候，可以加大积分步长尽快完成计算。

c)添加一些辅助构件和约束以明确结构的运动方向。

其中，在机械系统仿真设计研究中广泛应用的传感器和脚本控制仿真、参数化建模和优化分析、机械运动自动控制等高级技术过去都是应用于小尺度和少变量体系，虽然技术相对成熟，但应用于大变形大跨度张拉空间结构这种大尺度多变量体系的施工模拟中，却有很多问题，比如运动形式复杂，变形巨大，变量之间交叉影响，迭代计算收敛困难等。目前这部分技术的使用还仅限于初级阶段，若想将大跨度张拉空间结构的施工模拟水平提高到象精密机械全自动控制那样的水平还需进一步努力。

图3是自编软件功能模块工作流程的示意图

如图3所示，

根据本发明设计了新型结构施工模拟软件，可用在所有装有MicrosoftWindows操作系统的个人PC上。为结构设计人员提供结构在施工安装过程中结构形态、构件内力、支座反力、位移、应变等各种力学参数随时间变化的动态显示及动画演示。该软件是以Adams2007机械设计软件作为图形支撑环境。

功能模块简介：

系统主程序采用Visual C++ 2005对话框工程来进行开发，引用了Visual C++ 2005的公共控件。Adams外挂模块利用Adams开放的Macro命令接口共开发了6个功能模块。包括：

1、主程序

A、工程类型：MFC对话框应用程序EXE；

B、工程名称：Simulation

C、编译生成文件：Simulation.exe

2、在Adams软件中加载Simul界面：

A、工程类型：Adams外挂模块

B、工程名称：Simul

C、编译生成文件：Simul.cmd

3、初始化模型

A、工程类型：Adams外挂模块

B、工程名称：Initialize_Model

C、编译生成文件：dbox_Simul_initialize_model.cmd

4、建立节点、约束和集中荷载：

A、工程类型：Adams外挂模块

B、工程名称：Add_Nodeball

C、编译生成文件：dbox_Simul_add_nodeball.cmd

5、建立索、杆构件

A、工程类型：Adams外挂模块

B、工程名称：Add_Cable

C、编译生成文件：dbox_Simul_add_cable.cmd

6、批处理建模：

A、工程类型：Adams外挂模块

B、工程名称：BatCmd

C、编译生成文件：BatCmd.cmd

7、模型坐标、预应力更新：

A、工程类型：Adams外挂模块

B、工程名称：Update_Model

C、编译生成文件：dbox_Simul_update_model.cmd

功能模块工作流程：

各功能模块采用面向过程的设计方法通过Adams主体框架相互调用以实现各自的功能要求。

各功能模块内部用例如图4A-4G所示。

程序功能模块内部工作流程：

在Simulation模块内部，有多个函数来实现不同的功能要求，主要包括以下5个函数。即，批处理建模数据文件生成函数OnBnClickedBtbGeneratecmd，工作流程如图5A所示；大量实体同时修改一项数据OnBnClickedBtnColumnchange()，工作流程如图5B示；模型整体更新坐标和预应力OnBnClickedBtnUpdatecoorforce()，工作流程如图5C所示；计算模型两个状态之间距离的变化OnBnClickedBtnComputedistance()，工作流程如图5D所示；计算构件在零应力时的原长OnBnClickedBtnGenoriginlen()。

Simul模块的工作流程如图5E所示。

Initialize_Model模块的工作流程如图5F所示。

Add_Nodeball模块工作流程如图5G所示，在所有杆件的交点处添加球体，在球体和各杆件之间建立铰连接或固接，在球体上施加集中力。

Add_Cable模块的工作流程如图5H所示，在机械设计中是没有索这种构件的，因为索是柔性的，而机械构件都是刚性的，但索在新型建筑结构体系中是最广泛应用的构件，且种类多样.为此我采用将多个直杆通过铰接点连接起来的方法，用刚性杆模仿柔性索。为了在索中施加预应力，在其中2个直杆中间添加bushing节点并赋予刚度系数和预应力初值。为了模仿索在千斤顶张拉时的收紧或放长的过程，在其中2个直杆中间还可添加cylindrical节点并施加motion.通过这些设置张拉结构体系施工中的最常用的索的张拉控制就能得到很好的模拟。在2个直杆中间还可添加cylindrical节点并施加motion.可以模拟张拉结构体系施工中的飞柱顶升或回落过程。

Update_Model模块的工作流程如图5I所示，机械运动是一个内部构件不会增加减少的完整的运动过程，而土建施工中除了将现有构件安装到位以外，还需要不断添加新构件。所以，在第一种情况下，我们采用adams软 件中的传感器技术来控制构件安装到位。在第二种情况下，我们编制了新的模块更新了整个结构的坐标位置和预应力分布，然后在新的初始位形下开始新一轮模拟。

图6A-6F是该实施例的程序操作界面的示意图。

在Simulation模块中，内部数据输入包括：

1.模型名称行

列号     格式      说明

1-80     字符串    模型名称

2.节点总数控制行：

列号     格式      说明

1-6      整数      模型中节点总数

3.节点数据：

列号     格式      说明

1-6      整数      节点号，节点号从1开始连续增加直到最后一个节点

7-16     浮点数    节点X坐标，单位：米

17-26    浮点数    节点Y坐标，单位：米

27-36    浮点数    节点Z坐标，单位：米

37-44    浮点数    节点球体半径，单位：米

45-50    整数      节点是固定还是自由，1＝自由，0＝固定。

51-56    浮点数    节点荷载，负号代表荷载竖直向下。

4.无千斤顶索总数控制数据

列号     格式      说明

1-6      整数      模型中无千斤顶索总数

5.无千斤顶索数据

列号     格式      说明

1-6      整数      索编号，索号从1开始连续增加直到最后一个无千斤顶索

7-12     整数      索起始节点号

13-19    整数      索终点节点号

20-30    浮点数    索长度，若大于直线长度则索下挠，单位：米

31-41    浮点数    索半径，单位：米

42-58    浮点数    索弹性模量与索面积的乘积，单位：千牛

59-70    浮点数    索内预应力，单位：千牛

6.飞柱总数控制数据

列号     格式      说明

1-6      整数      模型中无千斤顶飞柱总数

7-13     整数      模型中有千斤顶飞柱总数

7.飞柱数据

列号     格式      说明

1-6      整数      飞柱编号，从1开始连续增加直到最后一个飞柱

7-12     整数      飞柱起始节点号

13-19    整数      飞柱终点节点号

20-30    浮点数    飞柱长度，单位：米

31-41    浮点数    飞柱半径，单位：米

31-41   浮点数    千斤顶移动速度，单位：米/秒，负号为伸长，正号为收缩

8.有千斤顶索总数控制数据

列号    格式      说明

1-6     整数      模型中有千斤顶索总数

9.有千斤顶索数据

列号    格式      说明

1-6     整数      索编号，索号从1开始连续增加直到最后一个有千斤顶索

7-12    整数      索起始节点号

13-19   整数      索终点节点号

20-30   浮点数    索长度，若大于直线长度则索下挠，单位：米

31-41   浮点数    索半径，单位：米

42-58   浮点数    索弹性模量与索面积的乘积，单位：千牛

59-70   浮点数    索内预应力，单位：千牛

71-81   浮点数    千斤顶移动速度，单位：米/秒，负号为伸长，正号为收缩

10.梁总数控制数据

列号    格式      说明

1-6     整数      模型中梁总数

11.梁数据

列号     格式      说明

1-6      整数      梁编号，梁号从1开始连续增加直到最后一根梁

7-12     整数      梁起始节点号

13-19    整数      梁终点节点号

20-30    浮点数    梁容重，单位：千牛/立方米

31-41    浮点数    梁截面积，单位：平方米

42-52    浮点数    梁弹性模量，单位：千牛/平方米

53-63    浮点数    梁剪切模量，单位：千牛/平方米

64-74    浮点数    梁截面沿y轴惯性矩，单位：4次方米

75-85    浮点数    梁截面沿z轴惯性矩，单位：4次方米

86-96    浮点数    梁截面沿x轴惯性矩，单位：4次方米

97-103   整数      梁左端固接还是铰接，0或1

104-110  整数      梁右端固接还是铰接，0或1

111-117  整数      梁分段数

12.膜总数控制数据

列号     格式      说明

1-6      整数      模型中膜单元总数

13.膜数据

列号     格式      说明

1-6      整数      膜编号，膜号从1开始连续增加直到最后一块膜

7-12     整数      膜第一节点号

13-19    整数      膜第二节点号

20-26    整数      膜第三节点号

27-37    浮点数    膜单位面积重量，单位：千牛/平方米

38-48    浮点数    膜厚度，单位：米

49-59    浮点数    膜经向弹性模量，单位：千牛/平方米

60-70    浮点数    膜纬向弹性模量，单位：千牛/平方米

71-81    浮点数    膜经向预应力，单位：千牛/米

82-92    浮点数    膜纬向预应力，单位：千牛/米

93-100   浮点数    膜单元节点球体半径，单位：米

14.迭代计算控制数据

列号     格式      说明

1-6      整数      千斤顶抽动时间，单位：秒

7-13     整数      迭代步总数

通过上面结合附图对本发明的实施例的描述，可以清楚的理解，根据本发明的技术方案，可以良好地实现对大变形大跨度张拉结构的施工模拟。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种使用机械运动模拟模型动态模拟张拉结构的施工过程的方法，其特征在于，包括：

步骤102，从所述张拉结构的有限元模型中提取用于建立机械运动模拟模型的数据文件；

步骤104，根据所述数据文件建立所述机械运动模拟模型；

步骤106，采用机械多刚体系统动力分析方法，结合所述机械运动模拟模型对所述张拉结构的施工过程进行时域特性仿真；

在所述步骤102中，提取确定所述有限元模型中的构件的性质、形状、位置和连接关系的数据，并将所述数据输入所述数据文件；

所述步骤104包括：

根据所述数据文件，建立表示所述构件的刚性体，以及建立用于连接所述构件的连接件，由此得到所述机械运动模拟模型；

所述构件包括索、杆、梁和膜或其任意组合，所述索包括直线索、悬垂索、直线放长索和悬垂缩短索或其任意组合，所述杆包括定长杆和伸缩杆或其任意组合；

在所述构件为所述索时，建立表示所述构件的刚性体的过程包括：

在所述构件为所述直线索时，建立第1刚性圆柱体、第2刚性圆柱体和第1轴套以表示所述直线索，所述第1刚性圆柱体和所述第2刚性圆柱体在一条直线上，所述第1刚性圆柱体的第一端对应所述直线索的起点位置，所述第2刚性圆柱体的第二端对应所述直线索的终点位置，所述第1刚性圆柱体的第二端和所述第2刚性圆柱体的第一端通过所述第1轴套连接，在所述第1轴套上设置所述直线索的刚度和预应力，所述第1刚性圆柱体、所述第2刚性圆柱体和所述第1轴套的长度之和等于所述直线索的长度；

在所述构件为所述悬垂索时，建立第3刚性圆柱体、第4刚性圆柱体和第2轴套以表示所述悬垂索，所述第3刚性圆柱体的第一端和第二端分别对应所述悬垂索的起点位置和中点位置，所述第4刚性圆柱体的第一端和第二端分别对应所述悬垂索的终点位置和中点位置，所述第3刚性圆柱体的第二端和所述第4刚性圆柱体的第二端通过所述第2轴套连接，在所述第2轴套上设置所述悬垂索的刚度和预应力，所述第3刚性圆柱体和所述第4刚性圆柱体的长度之和等于所述悬垂索的长度；

在所述构件为所述直线放长索时，建立第5刚性圆柱体、第6刚性圆柱体、第7刚性圆柱体、第3轴套和第1直线移动副以表示所述直线放长索，所述第5刚性圆柱体、所述第6刚性圆柱体和所述第7刚性圆柱体在同一条直线上，所述第5刚性圆柱体的第一端对应所述直线放长索的起点位置，所述第7刚性圆柱体的第一端对应所述直线放长索的终点位置，所述第5刚性圆柱体的第二端和所述第6刚性圆柱体的第一端通过所述第3轴套连接，在所述第3轴套上设置所述直线放长索的刚度和预应力，所述第6刚性圆柱体的第二端和所述第7刚性圆柱体的第二端由所述第1直线移动副连接，在所述第1直线移动副上设置第1千斤顶的移动速度，所述第5刚性圆柱体、第6刚性圆柱体、所述第7刚性圆柱体和所述第3轴套的长度之和为所述直线放长索的长度；

在所述构件为所述悬垂缩短索时，建立第8刚性圆柱体、第9刚性圆柱体、第10刚性圆柱体、第4轴套和第2直线移动副以表示所述悬垂缩短索，所述第8刚性圆柱体的第一端和第二端分别对应所述悬垂缩短索的起点位置和中点位置，所述第9刚性圆柱体的第一端对应所述悬垂缩短索的中点位置，所述第10刚性圆柱体的第一端对应所述悬垂缩短索的终点位置，所述第8刚性圆柱体的第二端和所述第9刚性圆柱体的第一端通过所述第4轴套连接，在所述第4轴套上设置所述悬垂缩短索的刚度和预应力，所述第9刚性圆柱体的第二端和所述第10刚性圆柱体的第二端通过所述第2直线移动副连接，在所述第2直线移动副上设置第2千斤顶的移动速度，所述第8刚性圆柱体、所述第9刚性圆柱体和所述第10刚性圆柱体的长度之和为所述悬垂缩短索的长度；

建立表示所述构件的刚性体的过程还包括：

在所述第1直线移动副上建立第1传感器，所述第1传感器用于根据所述第1千斤顶的位置，自动启动或停止所述第1千斤顶；

在所述第2直线移动副上建立第2传感器，所述第2传感器用于根据所述第2千斤顶的位置，自动启动或停止所述第2千斤顶；

在所述构件为所述杆时，建立表示所述构件的刚性体的过程包括：

在所述构件为所述定长杆时，建立第11刚性圆柱体以表示所述定长杆，所述第11刚性圆柱体的第一端和第二端分别对应所述定长杆的起点位置和终点位置；

在所述构件为所述伸缩杆时，建立第12刚性圆柱体、第13刚性圆柱体和第3直线移动副以表示所述伸缩杆，所述第12刚性圆柱体和所述第13刚性圆柱体在同一条直线上，所述第12刚性圆柱体的第一端对应所述伸缩杆的起点位置，所述第13刚性圆柱体的第一端对应所述伸缩杆的终点位置，所述第12刚性圆柱体的第二端和所述第13刚性圆柱体的第二端通过所述第3直线移动副连接，在所述第3直线移动副上设置第3千斤顶的移动速度；

建立表示所述构件的刚性体的过程还包括：

在所述第3直线移动副上建立第3传感器，所述第3传感器用于根据所述第3千斤顶的位置，自动启动或停止所述第3千斤顶；

在所述构件为所述梁时，建立表示所述构件的刚性体的过程包括：

建立多个等长的刚性短圆柱体和无质量梁以表示所述梁，所述多个等长的刚性短圆柱体在同一条直线上，所述刚性短圆柱体的第一个的第一端对应所述梁的起点位置，所述刚性短圆柱体的最后一个的第二端对应所述梁的终点位置，在相邻两个所述刚性短圆柱体之间建立所述无质量梁，并在所述无质量梁上设置惯性矩、弹性模量、剪切模量、截面积和计算长度；

在所述构件为所述膜时，建立表示所述构件的刚性体的过程包括：

建立多个刚性三角板的组合以表示所述膜的形状，在所述多个刚性三角板的顶点之间的交点处建立第1实心球体，每一个所述交点处的所述第1实心球体和所述顶点由第5轴套连接，并在所述第5轴套上设置所述膜的刚性系数、扭转刚度和经纬两个方向的预应力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立用于连接所述构件的连接件的过程包括：

在所述机械运动模拟模型中，确定不包括所述膜的所述构件的交点的对应位置，在所述对应位置上建立第2实心球体，每一个所述对应位置上的所述第2实心球体与刚性体由铰连接或固接连接，在所述第2实心球体上施加集中力。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤106包括：

通过所述时域特性仿真，获取所需信息，以即时表示所述张拉结构的形状变化和预应力分布，其中所述所需信息包括：所需时间点上所述构件静力平衡的内力值，和所需时间段上所述构件的位置、速度和所述内力值随时间变化的曲线。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤106还包括：

更新必要数据以更新所述数据文件，并返回步骤102，其中，所述必要数据包括：

所述第1和2实心球体的位置，所述第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和13刚性圆柱体的长度，所述第1、2、3和4轴套的预应力，所述第1、2和3千斤顶的移动速度，所述第1、2和3传感器的重新设置，所述刚性短圆柱体的长度，所述无质量梁上的所述计算长度，以及所述经纬两个方向的预应力。

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