In this paper, we develop a unified framework to study the dynamics of tensegrity systems that can include any arbitrary rigid bodies and rigid bars. The natural coordinates are adopted as a completely non-minimal modeling approach to describe both rigid bodies and rigid bars in terms of different combinations of basic points and base vectors. Various types of coordinates combinations are then unified into polymorphic expressions which succinctly encompass Class-1-to-$k$ tensegrities. Then, we employ the Lagrange-d'Alembert principle to derive the dynamic equation, which has a constant mass matrix and is free from trigonometric functions as well as centrifugal and Coriolis terms, owing to the non-minimal formulations. For numerical analysis of nonlinear dynamics, a modified symplectic integration scheme is derived, accommodating non-conservative forces and prescribed boundary conditions. Additionally, formulations for statics and linearized dynamics around static equilibrium states are derived to help determine cable actuations and calculate natural frequencies and mode shapes, which are commonly needed for structural analyses. Numerical examples are given to demonstrate the proposed approach's abilities in the modeling of tensegrity structures composed of Class-1-to-$k$ modules and conducting dynamic simulations with complex conditions, including slack cables, gravity loads, seismic grounds, and cable-based deployments. Finally, two novel designs of tensegrity structures exemplify new ways to create multi-functional composite structures.
翻译:在本文中, 我们开发一个统一的框架, 研究时态系统动态, 包括任意的僵硬体和硬条形; 自然坐标被作为一种完全非最小的建模方法, 用来用基本点和基矢量的不同组合来描述僵硬体和硬条形; 各种类型的坐标组合随后被统一成多形态表达式, 简洁地包含1至1至1千元的时态。 然后, 我们使用拉格兰格- ALembert 原则来得出动态方程式, 该方程式具有恒定的质量矩阵, 不受三角测量功能以及离心和Coriolis 术语的限制; 由于非最小的配方程式, 自然坐标座标被采用完全非最小的建模方法; 对于非线性动态和基矢量的阵列, 将修改的混杂组合组合组合组合组合组合成多形态组合组合组合组合组合, 将固定平衡状态周围的静态和线状动态动态动态动态动态动态组合制成, 结构分析通常需要这样做。 数字性示例 将 显示$, 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构 结构