基于B样条曲线的自由曲面索支撑空间网格结构多目标形态优化

对自由曲面索支撑空间网格结构进行多目标形态优化研究。首先根据索支撑空间网格结构的建模方法,将优化结构整个曲面转化为优化结构的准线和母线。其次为保证优化后的自由曲面光顺,引进B样条曲线建立曲面,并将B样条曲线已知点作为优化变量。出于不同结构设计需要,选用力学指标和几何指标、或力学指标和经济指标、或不同性能力学指标组合作为多优化目标进行结构优化。得到结论如下:首先,采用本优化方法,优化前后曲面形状变化不大,适用于对给定初始曲面结构进行形态优化。其次,以应变能和用钢量为优化目标,属于融合了截面优化和形态优化的多目标优化,其对于索支撑空间网格结构效果较好,具有较高的工程实用价值。最后,以应变能和杆件长度均方差为优化目标,所得优化结果对杆长均方差和应变能加权系数变化不敏感,可满足杆长均匀性和结构力学要求。     

单层柱面索撑网壳结构的形态优化

索支撑空间网格结构是一种适合于玻璃采光顶结构特点的新型单层网壳结构形式。目前对于索支撑空间网格的研究主要集中在几何建模、网格划分、整体稳定性能和静力性能等方面,在索支撑空间网格结构形态优化方面国内外的研究和应用还相对较少。采用了基于结构整体应变能为目标函数的共轭梯度法对单层柱面索撑网壳结构进行形态优化。首先,介绍了形态优化方法的选取,然后介绍了以应变能为目标函数的共轭梯度法。最后针对单层柱面索撑网壳,以结构的整体应变能为目标函数,曲面高度作为设计变量,结构的位移和矩形钢管的最大应力作为状态变量,采用共轭梯度法,通过调整曲面高度,寻找到了具有最小应变能的高刚度的较优曲面,并对该曲面进行了理论分析。     

自由曲面单层三角形网格结构抗震性能研究

自由曲面单层空间网格结构作为一种新型结构形式,以其流畅自然的线条、灵活多样的结构形态,广泛应用于各类大型公共建筑中。自由曲面结构通过结构应变能为优化目标,节点坐标为优化变量进行曲面形状优化,以达到较好的静力性能,但优化后曲面的抗震性能,目前还缺乏了解。以自由曲面单层三角形网格结构为例进行结构形态优化研究,通过时程分析法研究优化后自由曲面网格结构在罕遇地震作用下的动力响应,总结其抗震性能。研究结果表明:经过形态优化后网格结构的静力性能得到很大提高;罕遇地震作用下,优化后网格结构最大位移出现位置由中部靠下部位转移到中部靠上部位,且3个方向的最大位移数值均小于优化前的网格结构;网格结构最大等效应力和最大轴向压应力都有一定幅度下降,网格优化和光顺化主要影响的是地震作用下结构的竖向位移,且优化后在El Centro地震波作用下结构最大竖向位移减少近25%,表明形态优化有效提高了自由曲面单层空间网格结构在罕遇地震下的抗震性能。     

自由形态空间网格结构建模技术研究综述

自由形态空间网格结构是指结构整体几何形态不能用解析函数精确表达或拟合,并能以任何方式自由变化的空间网格结构,具有形式多样化和自由化的特点,但其网格划分存在一定的难度.本文总结以往的研究成果,将其归纳和汇总为三种自由形态空间网格结构建模的思路,然后总结并分析比较了用于自由形态网格生成的典型方法的特点、性能及其应用,总结了网格质量的衡量指标及网格优化方法,同时对曲面造型方法及曲面优化方法进行介绍,最后对自由形态空间网格结构建模技术的发展做出展望.     

自由曲面网格结构的力学性能研究

首先介绍了自由曲面网格结构网格划分方法的研究现状。其次,基于浙江大学空间结构研究中心自主研发的自由曲面网格划分专用软件ZD-Mesher,选取曲面展开和引导线法结合的网格划分方法,对同一曲面划分不同走向的网格。最后,根据自由曲面的网格,建立有限元分析模型,分析并比较同一曲面不同走向网格的力学性能。结果表明,由此得到的自由曲面网格,基本实现了美学与力学的兼顾统一。     

考虑结构缺陷敏感性影响的单层空间网格结构形态优化研究

自由曲面单层空间网格结构以总应变能为优化目标时,优化后的结构以轴向应变能为主而弯曲应变能极小,结构承载能力较高;但在考虑初始几何缺陷影响后,其承载力会大幅下降,结构对初始几何缺陷异常敏感,经过形态优化后的结构实际承载力并不高。为此,提出以结构弯曲应变能比例作为约束条件的单层网格结构形态优化方法。该方法通过控制优化终止时结构内部弯曲应变能比例,调节结构弯曲应变能和总应变能比例关系,降低优化后结构对初始几何缺陷的敏感性,可得到考虑初始几何缺陷后仍具有较高承载力的结构形态。自由曲面单层空间网格结构数值算例表明,优化后结构在考虑初始几何缺陷后,其承载力相比传统优化方法有较大提高,证明了所提方法的可行性。     

基于Grasshopper的自由曲面网壳菱形网格划分（英文）

现代空间网壳结构以自由曲面造型为重要特征,如何对自由曲面进行网格划分是结构设计的关键问题.本文采用三维建模软件Rhinoceros及其可视化编程插件Grasshopper实现了一种基于简单几何原理的自由曲面网壳结构菱形网格划分方法.该方法的优点是生成的网格具有统一长度,有利于降低结构设计、构件制造及施工的复杂度.通过造型各异的算例验证了该方法的有效性.     

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。     

自由曲面结构多目标形态优化北大核心CSCD

根据自由曲面的形成机理,建立自由曲面结构的多目标优化模型。以控制点坐标为优化变量,以应变能密度、特征屈曲值为目标函数,运用遗传算法,采用MATLAB与ANSYS分析软件,对自由曲面进行多目标优化。研究表明,所提出的优化方法适用性强、优化效果较好,可用于各种自由曲面的形态优化。     

自由曲面结构多目标形态优化

根据自由曲面的形成机理,建立自由曲面结构的多目标优化模型。以控制点坐标为优化变量,以应变能密度、特征屈曲值为目标函数,运用遗传算法,采用MATLAB与ANSYS分析软件,对自由曲面进行多目标优化。研究表明,所提出的优化方法适用性强、优化效果较好,可用于各种自由曲面的形态优化。     

自由曲面单层网格的智能布局设计研究

单层网格结构的网格划分标准不同于有限元网格的划分,它更侧重于以定性要求为标准的网格质量评价。为满足自由曲面单层网格杆件长度尽量一致、分布尽量均匀、过渡尽量流畅的要求,以自由曲面优化找形为前提,基于网格形状和单元长度的网格质量衡量标准,编制智能化网格设计程序。在整个布局设计过程中,首先通过拓扑不变的原则将空间问题转化为平面问题。其次,利用空间映射原理将在平面参考域上布置好的网格映射回三维空间曲面。最后,通过对初始拓扑网格进行智能化的修正和优化,保证所有杆件长度一致、网格布置美观的效果。通过在上海世博轴阳光谷工程中的实际应用证明,该方法操作简单,效果理想。且若采用不同拓扑关系布置的网格可以生成同样要求的最终杆件布置效果,供建筑师设计选用。     

基于自定义单元法的自由曲面网格划分研究北大核心CSCD

为实现对任意自由曲面的建筑网格划分,采用自定义单元法,以网格节点为对象,以"代"为整体进行节点推进。首先,根据节点的演化规律进行网格单元自定义。其次,在节点推进过程中,根据曲面特征进行单元选择生成下代节点,自适应曲面尺寸变化,将每一推进步单元"组装",建立网格拓扑的参数化表达;采用黎曼度量表征单元节点参数距离,考虑适应曲面曲率特征,确定节点参数坐标。最后,参数网格映射到自由曲面形成空间网格结构。结果表明,自定义单元法能够通过参数选择实现对网格规模和形式的量化控制,为自由曲面提供多样化网格划分方案,生成的网格杆件均匀、线条流畅、形式多样。     

自由曲面空间网格结构研究及力学性能分析

基于浙江大学空间结构研究中心自主研发的ZD-mesher软件,对NURBS表达的自由曲面,分别采用映射法和映射-拟桁架法进行网格划分,得到两种形式的曲面网格.对这两种自由曲面网格结构进行受力分析,并结合建筑视觉效果、结构力学性能及建造经济性等指标,综合评判网格形式对于自由曲面空间结构的影响,为此类结构的实际工程应用提供参考.最后,针对某自由曲面网格结构实际工程,进行网格划分,并分析其受力性能,获得建筑美观和结构性能的完美统一.     

自由形态B样条曲面网格生成的参数化方法研究(英文)

研究了自由曲面上网格的参数化生成方法.该方法利用了张量积曲面的特性,通过在曲面上提取等参线并等分等参线来生成网格.阐述了在B样条曲面上提取等参线(实质是B样条曲线)的原理,并给出了等参线等分以及由等参数生成网格的算法步骤.列举三个不同类型曲面上网格生成的例子,通过这些算例进一步介绍该方法的使用范围和使用策略.最后通过在实际工程中的应用案例表明该法的实用性及有效性.这一新网格生成技术能够划分出既均匀又美观的网格,可以广泛应用于自由曲面空间网格结构.     

基于映射技术和双向等分的自由曲面网格生成方法

为了满足自由曲面网格结构对网格均匀、流畅的需求,提出了基于曲面映射技术和双向等分方法的网格自动生成方法,即映射等分法。建立曲面和平面的双向映射机制,并用四条边界线圈定网格划分区域;在两条相对的边界线之间按距离等分的原则生成一组曲线;按照选定的等长原则划分该组曲线,并将同一分位值的分段点拟合成另一个方向上的等分曲线;轮流地对这两组曲线进行分段、拟合等操作,直到分段点位置无明显变化;将这两组曲线的交点连接成空间网格。通过在该方法中加入对特定曲面的针对性操作,拓展方法的适用范围,改善网格划分的效果。结果表明:该方法适用范围广、自动化程度高、生成速度快,生成的网格大小均匀、线条流畅,使网格结构的设计更为经济合理。     

北京大兴国际机场航站楼核心区超大平面复杂空间曲面钢网格结构屋盖综合施工技术

针对北京大兴国际机场航站楼核心区屋盖钢结构超长超宽超大平面、体量巨大,结构新颖、造型复杂、位形控制要求高,支撑体系简洁多样、内部空间超大的特点,施工过程中创新提出超大平面复杂空间曲面钢结构施工设计与控制方法,优化结构施工过程受力,采用"分区安装,分区卸载,变形协调,总体合龙"的整体部署,综合开发应用自由曲面空间网格钢结构分块累积提升施工技术、大尺度高落差倾斜翻转提升技术、巨型格构复杂C型柱加工制造及免支撑安装技术、钢构件数字化预拼装与数字化管理平台技术,完成超大平面复杂空间曲面钢网格结构屋盖安装。     

基于单目标形状优化的自由曲面空间结构形态的创建

自由曲面结构形态其形状的优化基于灵敏度分析,采用基于响应曲面的形状优化法对自由曲面进行结构形态的创建。利用单元目标优化算法——序列二次规划算法中的NLPQL算法进行分析,结合响应曲面法用于拟合目标函数生成几个自由曲面的空间结构形态算例。优化后的自由曲面结构形态性能良好。     

复杂自由曲面的离散化网格划分方法

为了寻求复杂自由曲面网格划分的方法,在NURBS曲面表达式的参数域U、V方向上划分成n×m等分,对于存在裁剪、开洞等情形的曲面,将边界外的点舍弃,同时在参数域平面上形成三角形网格,并将该网格映射到空间曲面,即得到离散方法表示的曲面面片.为适应网格疏密程度、曲面曲率变化的要求,引入密度修正函数与曲率修正函数,使曲面布点按...     

某双贝壳类单层自由曲面网格结构初步设计探讨

主要介绍某新颖的双贝壳连体类自由曲面网格结构的初步设计方案.方案设计表明,参考自然海贝的纹理特征布置网格可以较好地发挥壳体的力学特点.单层曲面网格结构在屋面附加恒荷载较大,矢跨比1/3情况下依然受稳定性控制.这是由于贝壳类单层自由曲面网格结构曲面外和曲面内刚度差别较大,曲面外的屈曲承载能力往往成为结构设计的主要控制因素.为改善单层自由曲面网格结构的整体和局部空间刚度,体系构成尤为重要,以实现更为安全、经济和合理的空间结构体系.本文针对贝壳类单层曲面网格结构的体系选型、设计方法及力学性能进行了简要讨论.     

基于切比雪夫网格的自由曲面网格自适应及杆长优化

本文基于Rhino软件及其参数化设计插件Grasshopper,实现了切比雪夫网格在该平台的应用。首先针对自由曲面网格结构有曲面边界的特点,定义了切比雪夫网格的杆件类型;然后通过自动寻找曲面边界对自由曲面进行延伸,并在延伸后的曲面上生成切比雪夫网格,利用曲面边界进行裁剪;最后利用弹簧质点法对得到的边界网格进行杆长分组优化,同时能够保证网格形状基本不变。该方法能够在切比雪夫内部网格可控、均匀、流畅性的基础上有效减少杆长分组,方便切比雪夫网格的结构设计与施工。