曲线变换型自由曲面结构的形态创建

基于结构形态学的基本概念,通过将结构几何形状的建立方法与寻找合理受力性能的数值优化方法相结合,提出了一种适用于曲线变换型自由曲面结构的形态创建方法。以B样条函数表达母线和准线,以应变能作为评价结构受力性能的指标,基于梯度法推导出结构应变能与B样条函数曲线控制点坐标间的导数关系,根据应变能的变化梯度确定控制点坐标的调整方向,通过逐步调整控制点坐标,获得一系列具有较小应变能的合理曲面形状。利用FORTRAN语言编制了相应的形态创建程序,并通过具体算例验证了方法的有效性。结果表明：该方法可保证结构在形态创建过程中,曲面上曲线的相对位置关系保持不变,为进一步实现连续壳体的离散化提供了条件;且由于控制点的数量远少于曲面上离散点的数量,因此相比于直接调整曲面坐标的形态创建方法,该方法计算效率更高。     

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.     

自由曲面空间结构形态创建的若干关键问题探讨

如何建立具有合理受力性能的自由曲面空间结构是设计过程中需要重点考虑的关键问题。以结构形态学观点为指导,将曲面几何形状的建立与寻找曲面合理受力性能的方法相结合,这一过程称为曲面的形态创建。本文对结构形态学所涉及的若干概念进行了阐述,并对自由曲面空间结构形态创建过程中所存在的关键技术问题进行了探讨。这些关键问题包括：(1)自由曲面结构的生成方法; (2)结构合理受力性能的评价指标及指标之间的相互关系; (3)合理曲面的创建方法等。通过对这些问题的探讨试图为自由曲面的研究与应用提供若干建议。     

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。     

自由曲面索支撑空间网格结构形态优化

索支撑空间网格结构是一种新型的单层网壳形式,主要应用于玻璃采光顶结构中。由于目前对自由曲面索支撑空间网格结构形态方面的研究国内外还相对较少,为此提出了一套适用于该类结构的形态优化方法。该优化方法采用结构整体应变能为优化目标、结构高度为优化变量、共轭梯度法为优化算法。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。采用该方法对自由曲面索支撑空间网格结构进行形态优化研究,得到结论如下:首先,采用本文形态优化方法,收敛速度快,形态优化后结构的力学性能提高很大;其次,形态优化过程中平面四边形网格属性不变,优化变量少;最后,对优化后的离散网格重新进行拟合生成曲面,对该曲面重新划分网格,保证网格长度相等。重新划分网格为结构构件加工和施工提供了便利,而且结构力学性能削弱不大。     

基于双三次B样条插值的空间结构自由曲面

双三次B样条插值曲面方法是工业造型、机械制造领域应用成熟的一种自由曲面设计方法，本在分析空间结构曲面设计现状、需求以及不足的基础上，提出了应用C^2连续的双三次B样条插值曲面方法进行空间结构自由曲面设计算法，并通过实例论证了该算法的可行性和有效性。     

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...     

索膜结构初始形状确定的综合设计法

本文针对膜结构找形中的最小曲面和考虑重力后的索膜结构的形状确定问题提出了一种新的综合设计法。对膜结构的最小曲面的确定问题,本文首先采用非线性有限元格式求得初始近似曲面,然后在此曲面上采用动力松弛格式得到最小曲面。此种方法比非线性有限元格式的精度有所提高,收敛速度也比动力松弛格式快得多。对考虑重力作用的索膜结构的初始形状确定问题,本文先采用非线性有限元格式得到初始近似曲面,然后在此曲面上考虑索膜的重力,仍采用非线性有限元格式得到最终需要的平衡曲面。此种方法收敛速度比一开始考虑索膜重力快,并且收敛性更好,可以得到更为精确的初始形状。     

自由曲面网壳合理壳面及其应力控制研究

通过选用较优的初应力分布来对最终应力分布进行控制的方式,提出了受力合理且满足建筑要求的自由曲面网壳目标壳面的生成方法,并对半球形网壳壳面算例进行了分析,结果表明:初应力均布时,所得最终应力的均匀性最佳;初应力布置时,对环向应力和边缘应力同时进行加强,最终径向应力与环向应力的协同性最佳。     

自由曲面建筑一体化造型与优化设计研究

以建立弯曲应力为零、薄膜应力最小的曲面为目标,提出了一种基于计算机辅助几何设计（CAGD）的一体化有限元建模技术与造型优化方法。该方法通过参数联动、模型自动更新等功能,实现了计算机自动进行自由曲面建筑造型的目的。利用软件自身的二次开发功能,建立了一套CAD软件与有限元软件协同建模与造型优化设计系统。该系统包含了三维参数化动态有限元建模中的若干关键技术,如CAD/CAE集成方法、基于应变能的空间结构优化以及有限元模型的参数驱动方法等。该系统可通过调整设计参数（约束条件,空间条件）得到多种合理曲面形态,同时也可以对建筑意图所设定的初始形状进行修改,为基于性能化的自由曲面建筑造型设计提供新的方法。该系统可利用建筑设计所提供的初始曲面形状进行合理的参数定义,在此基础上通过若干次优化修正,改善结构的力学性能。     

渗流问题的弱形式求积元分析

对于渗流问题的研究在很多领域有着广泛的应用,工程中通常采用有限元法对其进行数值求解,这往往需要耗费较大的计算资源从而限制了其计算规模。弱形式求积元法是一种简单和高效的数值方法,该方法基于问题弱形式描述,可对全域进行高阶近似,具有较快的收敛性,在结构分析领域已有广泛的应用。将弱形式求积元法应用于渗流问题的求解,分析了二维及三维渗流问题,包括承压渗流和无压渗流;对于无压渗流,采用变网格方法,使用积分点位置的多项式插值来近似表示自由面。求解了数值算例并得到了与解析解或者文献解一致的结果。结果表明:与有限元法相比,弱形式求积元法使用较少的自由度就可以得到收敛的结果,显示了弱形式求积元法在渗流分析中的有效性。     

索膜结构的二次找形法

本文首先分析索膜结构找形分析的几种主要方法,发现这些方法均没有考虑重力的影响,因此提出考虑重力作用的二次找形法,给出二次找形法的基本原理和计算框图,编制相应的程序,并通过两个算例来验证.算例分析发现,索膜结构在找形分析时,若考虑重力作用,膜面和索的曲率比未考虑重力时大,因此二次找形法获得的结果更接近实际的情况,同时该方法还具有收敛速度快、收敛性好的优点.     

墩梁体系自振特性变化规律能量法分析

应用能量法原理推导了墩梁体系横向基频的计算公式,将公式计算的结果与有限元计算结果进行比较,验证了计算公式的正确性,然后根据横向基频的计算公式分析了墩体刚度、质量变化引起墩梁体系横向基频、振型变化的规律。所推导的公式和分析结果对定量计算墩梁体系横向基频,提高对墩梁体系动力性能的认识都具有重要作用。     

有自由面非稳定渗流分析的改进截止负压法

截止负压法是求解有自由面渗流问题较为有效的算法之一。针对其算法特点,结合渗流本质,指出该算法的不足之处在于只引用了单参数的罚函数,从而造成自由面附近区域的渗流计算不够精确。为此,提出了引用双参数罚函数的改进截止负压法,改进后的算法更能准确地考虑单元的部分饱和非饱和作用,精确地计算单元结点外力或者结点不平衡力,进而提高计算精度和收敛速度。最后,将改进算法用于求解有自由面非稳定渗流问题,编制了相应的有限元分析程序,并通过算例进行验证。     

动力松弛法与力密度法在索网结构找形中的比较分析

本结合几个典型工程算例对改进动力松弛法和改进力密度法在计算时间、收敛精度、迭代策略等方面进行了较系统的比较分析，分析说明两种方法均适用于解决大型复杂索网结构的找形问题，并可达到很高的精度，但两种方法均有各自的优缺点。     

A simple approximate method for free vibration analysis of framed tube structures

A simple approximate method is developed for determining natural frequency of tall buildings. Timoshenko's beam model, which considers the influence of shear and flexural deformation, was used in modelling framed tube structures. In this paper, natural frequency and mode shape of framed tube structures were calculated based on the flexural and shear rigidities along with the effects of rotational inertia. Dynamic model of Timoshenko's beam can be obtained by writing equilibrium equations of forces acting on an infinite element. The solution of the dynamic model was obtained by first applying the separation of variables to time and space, followed by the assumption of harmonic motion in time, the steady state eigen system was obtained. Natural frequencies of framed tube structures were calculated by solving the eigenproblem. A numerical example has been presented to demonstrate the ease of application and accuracy of the proposed method. The structure's fundamental frequency was computed using ETABS V9.0.0 (Computer and Structures, Berkeley, California, USA) and compared with the result obtained from proposed method, which shows that the percentage of error was low and acceptable. The proposed method can be adopted as an alternative procedure to evaluate the natural frequency of framed tube in the preliminary stages of structural design. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.