基于广义逆矩阵理论的杆系结构形态创构方法#br#

广义逆矩阵理论被广泛应用于不稳定结构的形态分析。不稳定结构在荷载作用下，其形状会发生变化直至其势能达到最低，此时的结构处于无弯矩的平衡状态。根据该原理并结合广义逆矩阵理论提出一种适用于杆系结构的形态创构方法。该方法将杆系模型中杆单元进行分组，在每一组中杆单元总长度不变的条件下，建立控制结构形状变化的移形方程。利用广义逆矩阵理论和势能梯度确定使模型势能下降最快的方向，并逐步调整节点位置直至势能达到最低。临时单元和单元组的引入使得该方法可以应用于多种形式结构的形态创构，合理地设置单元组和临时单元可以实现单元长度与单元内力的重新分配进而实现诸多功能。算例分析说明该方法的特性并验证其有效性。     

结构形态创构方法——改进进化论方法及其工程应用

在建筑方案设计中,采用结构计算的方法来帮助建筑师确定建筑的形态具有工程意义。模仿自然界的进化现象,本文提出了一种结构形态的创构方法。该方法利用有限元法,计算结构相关力学特性(如von Mises应力分布),通过进行等值线(面)分析来评价结构承受荷载的效率,利用对曲线(面)进行“保留、淘汰、补充”的操作使结构体逐步进化并演变成合理结构。文中对该方法在两个实际工程设计中的应用进行了详细分析,并从提高进化效率的角度讨论了初始形状的合理选择。该方法可以对不同设计变量(比如约束条件,空间条件)进行设定从而得出不同建筑形态,给设计人员提供多种可参考的合理方案。利用此方法所得到的结构形态通常可以抑制弯矩产生,保证应力分布均匀且以轴力效应为主。最后讨论了该方法的有效性和实用性。     

自由曲面结构形态创构方法——高度调整法的建立与其在工程设计中的应用

曲面结构(如壳体)的受力性能主要取决于结构的曲面形状。在实际工程中,常规的简单曲面一般较难有效满足结构的受力合理性。利用曲面高度参数与结构应变能之间的关系,提出了一种自由曲面创构方法来保证结构达到“薄”而“刚”的统一。该方法基于有限元法,通过计算应变能对曲面高度的微分,并根据应变能变化的敏感程度对曲面高度进行调整,最终得到一个结构应变能最小的合理结构形态。利用该方法,可以通过调整设计参数(约束条件,空间条件)得到多种合理曲面形态,供设计人员参考。同时,也可以对建筑意图所设定的初始形状进行修改,求得近似合理的结构几何形状。工程设计实例表明,该方法所得到的曲面结构基本以薄膜应力为主,而且能保证足够的刚度。     

结构形态创构方法的工程应用

结构形态创构方法是一种以数值计算为基础,运用数学、力学原理来追求力学合理,形式美观的建筑结构形态的方法。主要包括以下两种方法:"改进进化论方法"是模仿自然界的进化现象,通过进行"保留、淘汰、补充"的操作使结构体逐步进化并演变成合理结构的结构形态创构方法;而"高度调整方法"是基于有限元法,通过计算应变能对曲面高度的微分,并根据应变能变化的敏感程度对曲面高度进行调整,最终得到一个结构应变能最小的合理结构形态的自由曲面结构形态创构方法。该方法简单、实用,所得到的结构不但能保证实现建筑师的设计理念,也能保证结构的力学合理性。最终方案可以采用钢筋混凝土结构来实现,也可以用钢结构来实现。文中主要介绍了这两种结构形态创构方法的特点与实际工程中的应用方法,同时结合工程实例,详细分析了所得到的结构形态的力学性能。     

水平荷载作用下的框架支撑拓扑形态创构

为便于形态创构方法在工程设计中的应用,有效改善框架结构的抗侧刚度,本文提出一种"先增后减"的创构策略来寻找其合理的支撑分布.在该创构策略中,结构演化从简单结构开始,可快速有效地寻找结构的高效传力路径.同时还提出一种改进的构件效率指标用于表征水平荷载作用下的构件效率,并在该创构策略中进行应用.算例表明,此效率指标和创构策略对寻找框架结构有效支撑效果良好.     

南极冰岩界面钻进过程孔斜规律研究及调控装置设计

南极冰层下基岩取心,对于研究南极冰川形成的历程和全球气候变化等方面具有重要的意义。钻遇冰层和岩层的倾斜交界面时,极易发生孔斜,影响基岩取心的质量甚至成败。本文分析了钻头在冰岩界面钻进过程中的受力状态,探究了地层倾角、钻压、转速、机械钻速、单位体积切削功等因素对钻头受力及孔斜规律的影响。最后,基于满眼防斜的原理设计了针对冰岩界面防斜的垂直入岩装置。     

自由曲面混凝土壳体结构静力试验研究

自由曲面结构不仅要具备良好的建筑表现力也要保证其受力合理性。利用自由曲面结构形态创建的非均匀有理B样条-梯度法(NURBS-GM)得到典型的凹凸自由曲面作为研究对象,制作混凝土壳体模型结构并进行静力试验研究。结果表明:弯曲应力在正负高斯曲率过渡区与支座附近较大,但整个结构主要仍以薄膜应力的形式抵抗荷载,随着荷载的增加薄膜应力分布有所变化,特别是正负高斯曲率过渡区变化较显著。上表面裂缝在正负高斯曲率过渡区出现并向支座附近发展,下表面则基本是加载点附近裂缝的连线并延伸至支座附近。整个加载过程中,裂缝出现较晚,但数量较多,最终在加载点附近发生局部强度破坏。荷载-位移曲线在弹性阶段斜率较大,并有较长的塑性发展段。采用ABAQUS有限元分析软件对试验模型进行有限元模拟并与实测数据进行对比,二者吻合较好。     

自由曲面结构形态创建的NURBS-GM方法

自由曲面结构以其卓越的建筑表现力成为当今空间结构发展的趋势之一,并在越来越多的实际工程中得到应用。与传统的空间结构相比,自由曲面空间结构设计的难点在于如何处理好新颖建筑造型与结构合理受力性能之间的关系。近年来,结构形态学的发展,特别是结构形态创构理论的提出,为解决自由曲面结构的形态设计问题提供了有效途径。借鉴结构形态创构的思想,将非均匀有理B样条(NURBS)曲面造型技术与寻求结构应变能最小的梯度算法相结合,提出一种适合于NURBS自由曲面结构特点的形态创构方法——NURBS-GM法。该方法的特点是,通过调整NURBS曲面的控制点坐标和权因子来获得整体应变能最小的曲面形状,从而改进了以往以直角坐标为调整变量的结构形态创构方法的计算效率。最后,通过若干算例证明本文方法的有效性。     

基于有限元差分法的形态创构方法研究

在形态创构方法中,较多的是建立在反映目标函数与设计变量关系的敏感度计算基础上。然而,利用解析法确定敏感度不仅需要复杂的数学推导,而且对目标函数的解析性要求较高,当形态从弹性发展到弹塑性时,难度进一步增加。首先,本文利用Taylor级数展开式推导出目标函数敏感度的中心差分格式,并分析讨论差分格式的精度与收敛性以及采用差分格式敏感度时的迭代步长确定方法。其次,以曲面结构高度参数坐标为设计变量、以结构应变能作为目标函数,建立了基于有限元差分法的形态创构方法。同时通过以往的工程实例作为算例,考察了方法的特性与力学性能变化特征。最后,利用ANSYS有限元软件对所得到的结构进行了应力分布特性以及结构稳定性与初始缺陷对极限承载力影响的分析,验证了方法的可靠性。该方法可以扩展到弹塑性问题,而且也可以克服以往敏感度分析中对目标函数解析性的苛刻要求。     

基于B样条的自由曲面结构形态创构方法研究

在B样条曲面上设定关键点并引入参考平面,利用所设定的关键点形成B样条曲面与参考平面上参数化B样条曲线确定的内外边界,采用Delaunay网格划分技术进行三角划分,生成能够适应复杂边界的自由曲面初始结构。利用关键点坐标的变化与自由曲面应变能的关系,推导了应变能对关键点的敏感度,建立了结构应变能最小化的自由曲面结构形态创构的方法,解决了以节点为优化变量计算效率低且优化后曲面不光滑需要二次加工的问题。研究结果表明,所提出的方法可以解决在实际工程应用中具有复杂边界的自由曲面形态创构问题,可以创构出自由、灵活的多种合理自由曲面结构,由此获得的曲面结构具有刚度大、承载力高,同时最大限度地抑制了弯矩的产生,且具有初始缺陷对结构受力性能影响减小的特点。