树状结构找形分析及工程应用

树状结构具有造型新颖、受力合理的特点,因而在工程中得到广泛应用。作为一种复杂的空间刚架体系,构件布置方式的确定（即找形分析）是树状结构设计中重要的环节。构件布置合理与否将直接影响树状结构的工作性能。基于形效结构的概念,通过分析树状结构的几何特点和受力特点,提出了一种树状结构的找形新方法--逆吊递推找形法。该方法的基本思路是,根据各级树枝所支承的屋面区域找到相应的受荷中心,依次令各级树枝指向其分担的屋面受荷中心,通过逐级递推建立树状结构的几何形态。在此基础上,明确了逆吊递推找形法的具体实施步骤和需要注意的问题。最后结合一树状结构工程实例,介绍了逆吊递推找形法的实际应用过程。研究结果表明：采用逆吊递推找形法生成的树状结构的所有构件均只受轴力作用,属形效结构。     

基于数值逆吊法的树状结构智能设计算法

由于美观的造型以及高效的结构效率,树状结构越来越多地应用于大型建筑以及地标性建筑中.树状结构研究的关键除找形问题外,更为关键的问题是最优拓扑的确定,即寻找能够高效承受外部荷载的各分枝之间的连接关系.在前期基于数值逆吊法研究成果的基础上,提出了树状结构的拓扑优化数值算法,该算法根据构件的效能选取移除分枝,最终达到每一级的...     

找形研究——从高迪到矶崎新对合理形式的探索

本论文简述了自高迪以来找形的历史.早期的找形的办法多是采用物理的方法,例如高迪的垂吊找形法、奥托的肥皂膜找形法和艾斯勒的充气薄膜找形与悬垂薄膜找形。而在计算机时代,通过有限元分析法进行结构优化处理.解决了许多复杂的结构计算问题,可以更科学的寻找合理的形式。更加自由的结构形式在以计算机为基础的信息时代有了实现的可能性。     

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。     

基于逆吊实验原理的空间结构形态数值创建方法

逆吊实验法是一种基于力学平衡原理的零弯矩结构形态创建方法,在结构形态学早期发挥了重要作用。为克服逆吊实验存在的模型相似律和测试精度等问题,提出一种将逆吊实验思想与数值模拟方法相结合的“数值逆吊法”,利用非线性有限元技术来实现逆吊结构形态的数值创建。该方法采用柔性索膜单元模拟逆吊结构,通过引入可变弹性模量技术并结合二分法实现对逆吊结构形状的精确控制。利用该方法对一逆吊实验模型进行数值模拟,并与试验结果进行比较,证明数值方法的精确性。在此基础上,通过调整各种约束条件研究了实现逆吊结构形态多样化的途径。利用所提方法对实际工程进行形态创建分析,证明了该方法在实际工程应用方面可行。     

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。     

欧拉稳定承载力约束下树状结构找形优化研究

找形是树状结构研究的关键问题之一,为此,首先提出了基于双单元数值模型的找形迭代程序,并利用已有研究结果对所提出方法进行了验证,计算结果表明利用该方法所得到的树状结构形态在给定荷载作用下只受到轴力。在此基础上,基于欧拉稳定压杆理论,对树状结构各分支的几何长度进行了优化,在保证各个构件只受到轴力的同时,确保整体结构的稳定承载力最大化。研究结果表明,所提的找形优化方法可以精确考虑平面及空间树状结构各个构件计算长度系数和截面特性对稳定性的影响,计算效率高,可为复杂树状结构的找形优化工作奠定理论基础。     

互承式空间网格结构找形方法研究

互承式空间网格结构是一种以杆件相互搭接为特征的杆系结构,具有连接构造简单、富于韵律美感的特点。由于互承式空间网格结构的形状受杆件搭接关系的影响,因此该类结构设计中的关键问题是找到同时满足杆件搭接关系和建筑造型要求的结构形状。为此,推导了杆件搭接系数,实现了对杆件搭接关系的量化描述,采用二分法实现了杆件搭接过程的数值模拟。基于结构实际搭建过程,提出一种互承式空间网格结构找形方法。该方法按照一定顺序依次提升平面互承网格的每个杆件节点,通过反复迭代使所有节点满足设定的杆件搭接系数,从而实现互承式空间网格结构的循环搭接找形。算例分析表明：所提方法的计算效率明显优于已有基于结构优化算法的找形方法,杆件搭接系数、旋转角度和网格疏密程度是影响互承式空间网格结构形状的主要参数,调整这些参数能够使结构整体形状趋近建筑造型要求。     

用APDL语言解决张弦梁结构找形问题的方法

介绍了如何利用通用有限元分析软件ANSYS5 .7的APDL语言来运行逆迭代法 ,以解决张弦梁的找形问题 ,并以常州工学院体育馆张弦梁结构为例进行了详细说明     

双层网壳结构抗火性能数值分析

以老山自行车馆屋顶结构为研究对象,用FDS模拟其温度场,通过理论公式计算网壳杆件的温升,并用ANSYS进行了不同火灾场景下网壳结构抗火性能的有限元分析。分析结果表明,火源位于看台上时,高温区域内6根杆件发生了局部破坏,但并未导致结构的整体破坏;火源位于比赛场地中央时,温度应力未引起杆件的破坏。     

基于向量式有限元的实体结构非线性行为分析

基于向量式有限元基本理论,推导了四节点四面体实体单元的基本理论计算式,通过参考平面的逆向运动来获得单元节点纯位移,进而通过变形坐标系获得单元节点内力。将双线性弹塑性材料本构模型引入向量式有限元实体单元,以实现考虑塑性硬化效应时实体结构的材料非线性行为分析。针对实体结构的碰撞接触行为,通过实体外表面质点和三角形网格面的单向碰撞检测来处理碰撞检测问题,采用基于中央差分的罚接触力响应方法来处理碰撞响应问题。弹塑性材料和碰撞接触均作为单独的计算分析模块引入向量式有限元实体单元。算例分析表明,所编制的向量式有限元实体单元程序可以有效实现线性和非线性材料情况下实体结构的静动力、大变形、大转动以及碰撞接触行为分析,验证了所提理论计算式和编制程序计算结果的可信度。     

基于ANSYS的网壳结构屈曲数值分析

介绍了网壳结构的发展和特点,分析了网壳结构的计算方法,基于大型有限元软件ANSYS对单层网壳进行了屈曲分析,给出了具体结论,为工程结构设计与监测提供了理论依据。     

用于连续体与非连续体共存转化计算的质点元方法

为了进行建筑结构倒塌全过程的力学模拟，针对建筑结构倒塌数值模拟梁壳单元几何、材料、接触三重非线性且连续体向非连续体转化的动力计算问题，提出了显式有限元与离散元的统一模型“质点元方法”，该方法通过定义广义连接模型、构造连接模型转化法则和建立接触碰撞算法，将显式有限元与离散元统一于相同的计算框架之下，较好地继承了有限元的单元技术、本构技术以及离散元的非连续体计算能力，具有效率优先、精度可调的特点。通过某框架剪力墙结构计算表明，质点元方法能够用于建筑结构倒塌的连续体与非连续体共存及转化的强非线性动力计算。     

考虑Cowper-Symonds黏塑性材料本构的向量式有限元三角形薄壳单元研究

薄壳结构的力学行为分析往往涉及显著的材料非线性效应,对爆炸、冲击等高速动力问题还需进一步考虑高应变率效应的影响。基于此,将可同时考虑应变硬化和应变率效应的Cowper-Symonds黏塑性材料本构模型（简称C-S模型）引入向量式有限元三角形薄壳单元,以实现金属薄壳结构的动力非线性分析。推导C-S模型的弹塑性增量分析步骤,并将其作为单独的计算分析模块引入薄壳结构的向量式有限元分析程序,适用于线弹性、理想弹塑性、双线性弹塑性和率相关C-S模型等4种材料模型条件下的薄壳结构分析。算例分析表明,所编制的向量式有限元程序可以有效实现非线性材料情况下薄壳结构的静、动力分析以及爆炸冲击作用下的非线性动力响应分析,验证了文中C-S模型理论推导和程序的正确、可靠。     

钢筋混凝土支承框架对K8网壳动力性能影响的分析

依据非线性有限元理论,利用ANSYS有限元分析程序,把钢筋混凝土支承框架和K8网壳结构体系作为一个整体结构体系进行分析。通过分析,系统地研究了地震荷载作用下钢筋混凝土支承框架对网壳结构动力性能的影响。     

巨型钢框架—索支撑结构中索突然失效的响应

针对巨型钢框架—预应力索支撑结构中拉索突然失效的响应过程这一传统有限元法难以解决的强非线性问题,采用自编向量式有限元程序模拟了典型巨型钢框架—预应力索支撑结构中索从静止到突然断裂的全部动态过程,并与有限元软件ANSYS计算的结果比较,结果表明,断索后结构水平位移主要因侧向刚度突变产生,索卸载冲击的动效应对位移影响不明显,但对内力影响很大,个别构件动内力可达静止后的近两倍。结构内力重分布情况随断索位置不同有很大差别,设计时应考虑不同的预应力荷载组合。