Shape optimization method of free-form cable-braced grid shells based on the translational surfaces technique

Cable-braced grid shells, being a new type of single-layer reticulated shell, are widely used in glass roofs. However, research on the shape optimization of free-form cable-braced grid shells is relatively lacking. This paper describes a shape optimization method for cable-braced free-form grid shells, with strain energy used as the optimization object, structural height used as the optimization variable, and the conjugate gradient method used as the optimization algorithm. According to the shape forming method for grid shells, their shape optimization can be realized only by adjusting the generatrix and directrix, not by optimizing the whole surface. The B-spline curve method is used to model the generatrix and directrix and maintain an optimized surface fairing. The following conclusions can be drawn from this study. First, the structural mechanical behavior of grid shells can be significantly improved with rapid convergence using the proposed shape optimization method. Second, the plane quadrilateral mesh is maintained and fewer optimization variables are needed during the proposed shape optimization method. Finally, the optimized surface is fairing and the mechanical properties of the optimized surface are somewhat decreased when using the B-spline curve method.     

节点刚度对凯威特型单层球面网壳稳定性的影响

稳定性是单层球面网壳理论与设计中的突出问题，影响稳定性的因素众多．本主要就节点刚度，引入一种节点模型，采用ANSYS软件，通过常见的凯威特型单层球面网壳，分析这一因素对整体稳定性的影响，得出一些有意义的结论。     

节点刚度对四边支承单层柱面网壳稳定性的影响

利用ANSYS有限元软件建立了半刚性节点单元模型,对四边支承单层柱面网壳进行了几何非线性全过程分析,主要考察考虑初始几何缺陷和荷载不对称分布情况下,节点刚度变化对柱面网壳稳定性的影响规律.研究结果表明,四边支承单层柱面网壳当缺陷相同时,刚度减弱,极限荷载下降,且抗弯刚度的影响较强;缺陷增大,扭转刚度对四边支承柱面网壳的影响增强;同一刚度下,随着缺陷的扩大,极限荷载呈下降趋势,随着刚度的减小,缺陷对网壳极限荷载的影响程度减弱;荷载不对称分布导致四边支承柱面网壳结构极限荷载降低至对称荷载作用情况的80％左右,缺陷变化使得节点刚度对极限荷载的影响程度有所改变,但对承载力终值影响不大.     

节点刚度对有缺陷短程线球面网壳稳定性的影响

节点刚度是影响网壳稳定性的重要因素之一,为理解其影响规律,应用Ansys的Matrix27单元,建立节点刚度单元模型,并考虑初始缺陷的影响,运用非线性有限元全过程分析方法,研究了节点刚度变化对不同缺陷短程线球面网壳稳定性的影响.结果表明:刚度降低,网壳稳定承载力下降;缺陷增大,节点刚度的影响减弱,并给出了一些工程设计的建议.     

相贯节点刚度对某单层网壳结构整体稳定性的影响

将回归得到的X形相贯节点轴向刚度、平面外弯曲刚度及平面内弯曲刚度的计算公式引入管结构分析设计软件STCAD,对某体育馆单层网壳屋盖结构进行了静力和整体稳定性分析。结果表明,X形相贯节点的刚度随着结构内力的增加而降低,节点的非刚性性能对单层网壳的变形及整体稳定性有显著影响。     

木网壳钢板群栓节点轴向滑移刚度试验与理论研究

作为大跨木网壳常见节点之一的钢板群栓节点,在轴向力作用下极易发生滑移变形,对整体网壳的力学性能产生不可忽略的影响。为研究不同参数对钢板群栓节点轴向滑移刚度的影响,对13组,考虑螺栓直径、数量、行距、列距以及材质等级等变化参数的钢填板-螺栓节点开展了单调加载试验研究,得到不同参数节点的轴向滑移刚度及变化规律,基于单栓的半无限体地基梁理论以及群栓弹簧模型建立了节点初始滑移刚度的理论公式。分析结果表明,节点轴向滑移刚度随螺栓直径的增大以及螺栓数量的增加,总体呈现非线性的增加趋势;螺栓列距、螺栓材性对轴向刚度影响的规律性不明显。采用弹性地基梁理论分析的节点刚度与试验结果吻合度较好,可作为木网壳群栓节点轴向滑移刚度的预测分析方法。     

Dynamic stiffness analysis of toroidal shells

The free vibration of a toroidal shell is studied using the dynamic stiffness method. The dynamic stiffness method eliminates both spatial discretization error and mesh generation. Moreover, with a finite number of degrees of freedom, the dynamic stiffness method can predict an infinite number of natural frequencies. The dynamic behavior of the toroidal shell is modeled by DMV (Donnell-Mushtari-Vlasov) linear thin shell theory in the present paper. However, the procedure can be adapted to be used with any other linear thin shell theory without difficulty. Since a close form solution of toroidal shell using DMV theory is not (yet) possible, in order to obtain the desired dynamic stiffness matrix, a finite number of Fourier's series terms are taken in the circumferential direction and the unknown longitudinal displacements are then solved from the reduced governing equations exactly. The solution obtained from the dynamic stiffness method can be regarded as semi-analytical due to the Fourier approximation. With the dynamic stiffness matrices in hands, a toroidal shell with different boundary conditions and connections (to other toroidal shells) can be analyzed. This paper presents the procedure and assumption made in order to obtain the dynamic stiffness matrix of a toroidal shell in harmonic oscillation. Also some numerical examples will be given and discussed.     

节点刚度对三向单层球面网壳稳定承载力的影响

为了评估节点刚度对网壳极限承载能力的影响,建立了一种能同时考虑节点刚度(弯曲刚度、轴向刚度、扭转刚度与剪切刚度)和节点大小的力学模型.借鉴节点正则化弯曲刚度指标κb的概念,建议采用正则化轴向刚度κa、正则化扭转刚度κt与正则化剪切刚度κs来衡量节点的轴向、扭转及剪切刚度.经过数值计算,主要得出如下结论:节点弯曲刚度对网...     

节理方向对风化岩石边坡稳定性的影响

探讨了蒙托卡罗方法在岩质边坡滑坡稳定性评价中的应用,并利用蒙托卡罗数值模拟法软件对影响边坡稳定性的节理层倾角变化进行了数值模拟,研究结果表明:节理层倾角越大,边坡的稳定性越差。     

单层球面网壳节点刚性反应的内力分析研究

节点刚度是影响单层球面网壳内力的重要因素之一.本文提出了＂变刚度＂的内力分析方法.基于梁单元有限元法,各杆件单元的刚度通过引入一个介于0～1之间的无量纲因子来考虑,当该系数取不同数值时,模型将分别退化为理想铰接和完全刚性连接的结构,并可方便分析具有任意刚度连接的网壳结构的内力.通过分析节点刚度、结构矢高、荷载对杆件内力的影响,得出了一些有意义的结论.     

球面网壳非规则网格划分方法研究

非规则网格球面网壳是一种用于特殊领域的新型结构,目前国内还没有这种结构理论方面的研究.基于多面体网壳拓扑关系及构型特征,提出了通过球面五边形旋转实现非规则网格构型的理论和基本技术,根据一个基本单元内三角形个数及划分方法确定五边形边长.推导了三角形多面体网壳的基本计算公式,实现了非规则三角形网格多面体网壳的计算机可视化建模,说明本文的构型理论和计算公式是合理的、可行的.     

单层球面网壳基于节点构形度的刚度均匀性判定准则

为研究单层网壳结构的失效机理,以3个单层球壳缩尺模型为例,通过对节点构形度进行分析研究提出,节点构形度的对数标准差S_T(lg(q))可作为衡量单层球壳结构整体刚度均匀性的判定参数。通过与试验结果对比可知,节点构形度的对数标准差S_T(lg(q))与结构的倒塌破坏特征及极限状态时输入的峰值加速度密切相关。对跨度为40 m,矢跨比分别为1/3、1/5、1/7的4种杆件截面的凯威特K6型单层球壳结构进行了参数分析（包括节点构形度分析、静力稳定分析和地震作用下的动力时程分析）。研究结果表明,K6型单层球壳结构在杆件质量相近的条件下,节点构形度的对数标准差S_T(lg(q))越小,结构的稳定承载力和极限状态时输入的峰值加速度越高,且地震作用下结构的延性越好,强度破坏特征越明显。通过统计分析建立了适用于跨度为40m的K6型单层球壳结构刚度均匀性判定准则,即当节点构形度的对数标准差S_T(lg(q))不大于0.4时,结构整体刚度均匀,相应的结构稳定承载能力和极限状态时输入的A_PG相对较高,且地震作用下的延性较大。     

屋面系统对单层球面网壳稳定性及地震响应的影响研究

单层球面网壳的静力稳定性及抗震性能已经取得较为系统的研究成果,但在传统的研究方法中,学者们只考虑结构部分,忽略了屋面板、吊顶、隔墙等非结构构件的影响;其中,屋面系统作为一类非结构构件,其平面刚度较大、在动力荷载下的阻尼也较大的特点会在一定程度上影响结构的受力特性。因此,选取考虑屋面系统的单层球面网壳作为研究对象,开展屋面系统对于单层球面网壳弹塑性稳定性及抗震性能的影响研究。采用有限元分析软件ABAQUS分别建立带屋面系统单层球面网壳和传统单层球壳的数值模型;通过弧长法分别对两种模型进行均布荷载作用下的非线性数值模拟,对比分析屋面系统对单层球面网壳弹塑性稳定承载力的影响;对考虑屋面系统的网壳结构进行不同地震荷载作用下的时程动力分析,采用基于响应的分析方法,考察屋面系统对于网壳结构抗震性能的影响,得到屋面系统会显著提高网壳整体刚度、增强结构抗震能力的结论;本研究可为以后网壳结构的理论研究及工程实践提供一定的参考。     

等效刚度板法对网架的受力性能分析

介绍了等效刚度板法分析网架的总体思路,采用等效刚度板法对网架弹性阶段受力性能进行了分析,以弹性拟板法为基础,对网架模型进行有限元分析,并与拟板模型的计算结果进行了对比分析,以评估拟板法的准确性.     

薄柔钢框架节点区刚性试验研究

对薄柔钢框架中的延伸端板式梁柱节点进行了试验。将节点置于足尺薄柔钢框架中进行加载测试,使节点的边界条件和受力状态符合实际结构状况。从结构刚度和节点区变形两方面对节点抗弯刚度和节点域剪切刚度进行了分析,结果表明薄柔钢框架中的端板式节点在一定条件下可以满足刚性连接的要求。     

Elasto-plastic stability of single-layer reticulated shells

Investigation of elasto-plastic stability of reticulated shells has gradually become more and more attractive to researchers. However, the analysis of the elasto-plastic stability is much more complicated than the elastic analysis, because of the involvement of both the geometrical nonlinearity and the material nonlinearity and the interactions of the two. Taking into consideration of material nonlinearity, the elasto-plastic stability behaviour of reticulated shells will be significantly different, which can only be revealed by large amount of geometrically and material nonlinear analysis of the structures. The elasto-plastic stability of seven types of commonly used single-layer reticulated shells (Kiewitt-8, Kiewitt-6, Geodesic, Schwedler Bidirectional, Schwedler Monoclonal, Sunflower, and Radial Rib) was investigated systematically with ANSYS, in which more than 2000 cases of geometrically and material nonlinear analysis were conducted with different initial geometrical imperfections, geometrical, structural and load parameters. Based on the analytical results and via comparison between elastic and elasto-plastic buckling loads, the plasticity influence coefficients were summarized for each type of the reticulated domes. These coefficients can be used to predict accurately the elasto-plastic buckling load in design practice of the reticulated domes, which is an easy way for designers to evaluate stability of the reticulated shells.     

半刚性节点的转动刚度及其影响

针对节点实际存在刚度与理想计算假定刚度不一致的现象,推导了常见约束条件下半刚性节点转动刚度与节点弯矩关系的解析公式,并研究了节点转动刚度计算的解析法和实体有限元方法,以期促进对节点刚度的研究,提高工程设计水平。     

节点刚度对单层网壳动力性能的影响

节点刚度不仅影响网壳的静力性能,对网壳的动力性能也有一定的影响.为认识其对网壳动力性能的影响规律,本文应用ANSYS中的Matrix27单元建立节点刚度单元模型,研究了节点刚度变化时网壳动力性能的相应变化.采用动力时程分析法研究了不同节点刚度对网壳地震响应的影响.计算结果表明,节点的轴向刚度和弯曲刚度对网壳的自振特性和地震响应均有一定的影响,实际工程中考虑节点刚度的影响能更准确地反映结构真实性能.     

网架结构的拟板算法研究及参数优化

指出网架结构是一种高次超静定的空间杆系结构,完全精确地分析它的内力和变形是相当复杂和困难的,在初步设计时亦是没有必要的,拟板法可以作为参考数据或快速估算的方法,本文成功建立了网架拟板模型,并对模型进行了算例验证计算。     

双曲面斜交网格筒相贯节点受力性能试验研究

双曲面斜交网格筒由两方向斜柱交叉编织构成,在一个方向斜柱全长贯通(称为主斜柱),另一个方向斜柱在节点处断开(称为次斜柱),二者相交处采用相贯焊接连接.以中国动漫博物馆工程双曲面斜交网格筒柱为研究对象,基于节点破坏不先于双曲面斜交网格筒破坏的设计原则,设计制作相贯节点模型,对双曲面斜交网格筒中采用的圆管相贯节点的破坏模式...