基于多目标形状优化的自由曲面空间结构形态的创建

介绍了结构优化设计的基本理论和方法,对用于全局搜索的遗传算法中的NSGA-Ⅱ算法进行了阐述。最后基于多目标形状优化算法生成了自由曲面的空间结构形态算例。     

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

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。     

基于有限元法的自由曲面结构形态的创建

介绍了几何非线性有限元理论中几何非线性的分析求解过程。通过对变形的位移描述与应变描述、几何方程、物理方程和平衡方程四方面详细解释及介绍了自由曲面结构形态的创建依据。     

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。     

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GH平台的自由曲面形态构建与优化

单层网格结构设计过程中,网格结构往往因形态不同,在竖向荷载作用下产生过大弯矩导致设计困难。本文将柔性结构中找形的概念应用于刚性结构,以某一单层网壳构架为例,提出利用应变能最小为目标以达到曲面优化目的之方法。本研究基于Rhino+Grasshopper(简称GH)软件平台进行分析,过程中考虑自重,采用遗传基因优化算法,完成单层网格结构形态构建,并且通过优化减少因自重引起的弯矩。通过本文优化方法设计的网壳结构与建筑初始曲面外形相似,但承载能力有较大幅度的提高。预期通过本文所提供的方法,可以提高方案过程中建筑—结构配合度,减少设计过程中重复工作,提高设计效率,为设计工作提供新的思路。     

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。     

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。     

珠海横琴总部大厦龙珠自由曲面空间结构设计

珠海横琴总部大厦龙珠项目为不规则自由曲面空间结构,结构轮廓线采用Grasshopper参数化平台找形确定,结构布置方案采用正交网格形式,由16根放射状分布的弓形主杆及环向的次杆组成。龙珠底部嵌固于横琴总部大厦裙楼屋面层,建筑功能为珠海横琴总部大厦阶梯会议厅。为保证龙珠结构的稳定性,减小其对下部裙楼的不利影响,在龙珠底部设置双环底盘,形成自平衡体系,采用弹簧支座的形式,并采用MIDAS软件对龙珠结构进行计算分析。分析结果表明,弹簧支座+自平衡体系可以减小地震力向下的传递,保证龙珠结构的稳定性,是类似造型结构的理想方案。     

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。     

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。     

生成式参数化设计在自由曲面空间结构中的应用

自由曲面空间结构的设计需兼顾建筑形体和结构效率的影响,涉及多学科交叉协同。总结提出了针对自由曲面结构的生成式参数化设计方法,可实现在预设条件下,通过参数化控制,结合开发的改进优化算法,自动高效地生成同时满足美学表现和力学性能的曲面形态方案,并可通过定义不同约束条件,生成多方案比选。对方法的实现流程和关键技术进行了论述和总结,并通过工程设计案例论证了方法的可行性和易用性。研究表明,该方法可适用于复杂的受力和边界条件,并可根据项目特点结合专项结构分析实现多目标优化,具有较高的适用性;同时其参数化特征可有效应对项目调整变更,提升设计效率。该方法可有效帮助解决建筑与结构专业在设计过程中的学科分离矛盾,进一步提升设计质量。     

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。     

某海螺形自由曲面单层网壳结构形态构建和整体稳定分析

通过三维建模软件Rhinoceros及其可视化编程插件Grasshopper,参数化建模出一种海螺形自由曲面网壳结构.采用ANSYS软件对该结构进行几何非线性分析,研究不对称荷载和初始几何缺陷对结构整体稳定性的影响.采用本文的自由曲面建模方法可以方便、快捷、参数化地设计出建筑师想要的不规则曲面建筑.分析表明:该结构对不...     

低碳北京目标下的城市空间结构优化

温室气体排放所造成的全球气候变暖问题日益引起国际社会的普遍关注,旨在减少人类活动温室气体排放的"低碳发展"理念逐渐深入人心,并成为各国政府制定公共政策的重要参考.中国政府始终以一种负责任的态度,积极响应联合国减少碳排放的倡议.然而,工业化的发展阶段、75％以上依赖于煤炭的能源结构及庞大的人口基数都决定了中国的低碳之路任重而道远.