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。     

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。     

支撑体系对大跨空间结构受力性能的影响

空间结构设计过程中易忽视支撑体系对整体结构受力性能影响的分析,通过对两种常见结构体系及实际工程分析,总结支撑体系对不同结构形式的影响规律。对于平面空间结构体系,若各榀桁架跨度及受力情况不同,支撑体系会协调各榀桁架的变形,改变单榀桁架内力分布;对于曲面空间结构体系,支撑体系可能会改变结构的传力路径,纵向支撑可能会在曲面内产生壳体内力,改变结构内力分布。因此,应对带有支撑体系的整体结构进行分析。     

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。     

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.     

独角兽岛启动区展厅钢结构设计及BIM应用

独角兽岛启动区展厅建筑造型突破常规,多重曲面的流线造型构建成复杂的空间异形造型.平面近似椭圆形,立面及屋盖采用独特的空间自由曲面.整个外罩形成以中庭漏斗网格筒、外围立柱、外环曲线立体桁架及单层网格组成的多重复杂空间结构;屋盖和采光中庭网格筒室内空间结构构件外露,采用大高宽比特窄翼缘焊接矩管单层网格结构实现建筑、结构、幕墙完美结合.介绍了本工程的结构体系,屋盖方案演变及杆件截面优选,对结构进行了单体模型及总装模型分析,论述了结构的变形、内力和应力分布特点、整体稳定性分析,对单层网格结构中各类节点的适用性进行比较,选取关键节点进行有限元应力和刚度分析,确保节点的受力可靠.同时鉴于结构平面、空间关系复杂,对该项目进行了BIM设计,并介绍了本工程BIM正向设计流程及其创新应用.     

剪力墙结构的自由网格划分

本文针对剪力墙结构提出了一种新的自由网格划分方案,使得剪力墙结构的有限元离散模型更加合理,从而提高有限元分析的精确性和可靠性。该方案以铺砌法自由网格算法为核心并联合几何拆分法和映射网格法,兼顾自由网格的通用性和映射网格的高效性,既满足各种复杂结构模型的要求,又提高网格划分的质量,并同时确保网格划分的速度,从而节省结构分析的总时间。     

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。     

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。     

自由曲面四边形网格等杆长划分算法

自由曲面在建筑上的应用日益广泛,研究自由曲面的网格划分有着重要意义.以保证杆件长度完全相等为准则,基于NURBS提出了一种适用于大多数自由曲面的四边形网格划分算法,介绍了算法的基本流程和要点.本算法采用二分法进行数值计算,思路简单、效率良好,能够快速地对自由曲面进行网格划分.结合实例可以看到,本算法生成的网格杆件长度相等,同时能保证网格形状的相对规整,对坡度较陡的自由曲面和不规则边界有着良好的适应性.     

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。     

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.     

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。     

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.     

基于鲁棒性的自由曲面结构优化设计研究

由于造型复杂、受力不明确,自由曲面的形状、拓扑难以确定,保证其安全性能难度较高。为此,以结构非线性H∞鲁棒性指标为目标,以非均匀有理B样条法的曲面控制点坐标以及划分单元的厚度为优化变量,采用差分演化算法对曲面形状进行力学微调优化,并求解自由曲面形状和材料分布联合优化设计问题,得到最优的曲面形状和拓扑构型。结果表明,差分演化算法具有较强的寻优能力,通过优化调整曲面的形状和材料分布,可大幅提高曲面的鲁棒性和刚度,改善结构的受力性能。通过六角星形穹顶结构的非线性屈曲分析,阐述了鲁棒性指标与应变能指标的联系和区别,表明鲁棒性指标能够较好地反映结构的屈曲过程、表征破坏后果,采用鲁棒性指标进行自由曲面的优化设计可以确保结构的安全性。     

结构形态学与现代空间结构

结构形态学从整体上研究结构形式与其受力性能之间的关系,研究内容较广泛,具有多学科交叉的特点,但尚未形成基本理论体系。空间结构是典型的形效结构,而且形式丰富多样,如何实现新颖结构形式与合理结构性能之间的协调统一是空间结构设计中的关键问题。因此,结构形态学的研究对空间结构的创新发展具有重要意义。通过对结构形态学的研究范畴与发展脉络的阐述,为结构形态学提出一个较为明确的定义;结合张力结构、自由曲面结构、自由拓扑结构等现代空间结构形式对结构形态学的研究进展情况进行评述,重点介绍了作者团队近年来在这方面的研究与实践。     

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。     

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...