陈占魁 罗 凯 田 强

(北京理工大学宇航学院力学系,北京 100081)

引言

20 世纪中期,美国建筑师Fuller[1]从艺术家Snelson[2]的雕塑作品中获得灵感,将“tension”和“integrity”融合为一个新的单词,提出了“tensegrity”(张拉整体)的概念.早期的张拉整体结构大多是从艺术角度设计的作品,未考虑其工程应用价值,直到20 世纪80 年代,在Pellegrino[3-4]和Connelly 等[5]的推动下,张拉整体结构才被越来越多的工程师所熟知.

张拉整体结构具有整体均匀承载、轻质、高收纳比等优异结构特性,因此逐渐得到航天、生物力学、机器人等领域研究人员的广泛关注.在航天工程领域,Tibert 和Pellegrino[6]提出了一种可展开张拉整体棱柱结构,通过对其几何和内力分析及其实验验证,证明了该结构具备较好的展开可靠度和较高的收纳比;SunSpiral 等[7]提出了张拉整体行星探测器的概念,模拟和分析了张拉整体结构展开、降落和表面移动过程的动力学行为,验证了其用于Titan 行星探测任务的可行性;Caluwaerts 等[8]对用于行星探测的球形张拉整体机器人进行动力学仿真,研究不同控制方法下系统动力学响应,提出了生物启发的张拉整体结构控制策略;Iscen 等[9]通过分析不同层级和频率的测量信号,获得了保持其以适当速度自主滚动的分布式驱动信号.在生物力学领域,Ingber[10-11]利用张拉整体结构模拟细胞及其骨架整体结构的力学行为,解释细胞结构的形变、运动和对机械信号的感知与传导机理,进一步理解生物体的分级组织机理.在机器人领域,Rovira 和Tur[12]推导了由刚性杆和弹性绳……