逆吊實(shí)驗(yàn)法的數(shù)值模擬及應(yīng)用.pdf

1、新形態(tài)空間結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要方向之一,而如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)美形體與合理受力的協(xié)調(diào)統(tǒng)一則是新形態(tài)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)作為研究結(jié)構(gòu)形狀與其受力性能之間關(guān)系的科學(xué),為新形態(tài)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ),但由于其發(fā)展時(shí)間較短且多學(xué)科交叉特點(diǎn)明顯,目前尚處于探索階段。
　　自由曲面是新形態(tài)空間結(jié)構(gòu)的一種典型形式,因其具有良好的視覺(jué)沖擊力并能體現(xiàn)建筑美的多樣性,是當(dāng)前結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。如何在曲面生成過(guò)程中

2、實(shí)現(xiàn)曲面多樣性與受力合理性的有機(jī)結(jié)合,即所謂的形態(tài)創(chuàng)建問(wèn)題,是自由曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的首要問(wèn)題。自由曲面結(jié)構(gòu)的形態(tài)創(chuàng)建方法可大致分為基于模型實(shí)驗(yàn)的形態(tài)創(chuàng)建方法和基于優(yōu)化分析的形態(tài)創(chuàng)建方法兩類(lèi)。前者在結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)發(fā)展初期發(fā)揮了重要作用,而近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,后一類(lèi)方法受到了更多重視。盡管如此,由于以逆吊實(shí)驗(yàn)法為代表的模型實(shí)驗(yàn)方法具有概念清晰、形象直觀的特點(diǎn),因此仍不失為是一種探索結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的重要手段。為了解決模型試驗(yàn)方法中普遍存在的實(shí)驗(yàn)

3、相似律和測(cè)試精度等問(wèn)題,本文提出利用數(shù)值模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)逆吊實(shí)驗(yàn)過(guò)程的研究思路,這樣做的好處是拓寬了逆吊實(shí)驗(yàn)法的適用范圍,有利于不同方案的比較。
　　考慮上述研究背景,本課題主要開(kāi)展了如下研究工作:
　　(1)數(shù)值逆吊實(shí)驗(yàn)法的提出
　　采用非線性有限元法模擬逆吊實(shí)驗(yàn)過(guò)程,獲得具有零彎矩或小彎矩特征的曲面結(jié)構(gòu)形狀,并通過(guò)引入二分法實(shí)現(xiàn)了逆吊形狀的精確控制;在此基礎(chǔ)上,同時(shí)進(jìn)行截面調(diào)整與數(shù)值找形,實(shí)現(xiàn)了以應(yīng)力分布均勻?yàn)槟繕?biāo)的自由

4、曲面結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建;完成一系列逆吊模型實(shí)驗(yàn),利用模型3D掃描技術(shù)將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值創(chuàng)建結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性。
　　(2)基于數(shù)值逆吊實(shí)驗(yàn)法的結(jié)構(gòu)形態(tài)多樣性研究
　　逆吊實(shí)驗(yàn)法的原理相對(duì)簡(jiǎn)單,但如何利用簡(jiǎn)單的原理獲得較為豐富的建筑造型是數(shù)值逆吊實(shí)驗(yàn)法需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文通過(guò)改變邊界條件、材料屬性、荷載分布等參數(shù),探討了結(jié)構(gòu)在逆吊狀態(tài)下的形態(tài)多樣性問(wèn)題,建立了考慮多樣性的結(jié)構(gòu)形態(tài)調(diào)控方法;通過(guò)模型試驗(yàn)和對(duì)實(shí)際工程