自由曲面薄殼結(jié)構(gòu)的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法與試驗研究.pdf

1、建筑逐步向大跨、高層方向發(fā)展，同時人們追求的建筑已不僅僅是功能空間，更是具有良好視覺效果的自由、靈活，多樣的功能與精神感受、美的享受有機統(tǒng)一的人性化的空間。合理且具有良好視覺效果的建筑實踐，需要科技的支撐，意味著結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能在構(gòu)思建筑方案中的重要性，結(jié)構(gòu)形態(tài)的合理性占越來越重要的的地位。現(xiàn)代建筑的實踐需要建筑與結(jié)構(gòu)的深層次理解，需要重新認識結(jié)構(gòu)形態(tài)的內(nèi)涵，現(xiàn)代建筑構(gòu)思中結(jié)構(gòu)不再是單純的承重骨架，而是構(gòu)思新型建筑的一種工具。合理且良好建

2、筑效果的結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法的建立，不僅是每個結(jié)構(gòu)工程師所關(guān)心的問題，而且也是建筑師實現(xiàn)自己建筑理念和意圖中必須解決的重要問題。本文以應(yīng)變能最小化作為結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)問題的設(shè)計目標，利用B樣條曲面的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)應(yīng)變能敏感度的特性提出了高效、實用的自由曲面形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法。為解決非線性和更一般意義的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)問題，本文還提出了敏感度差分算法的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法。以所提方法得到的結(jié)果為對象進行了試驗研究，提出了利用有限元法模擬試驗的方法，并考察了進化過程中的自由

3、曲面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，總結(jié)了自由曲面結(jié)構(gòu)的特點。本文主要開展以下幾方面的工作：
　　1.任意邊界的自由曲面薄殼結(jié)構(gòu)初始模型研究
　　在實際工程中，建筑邊界條件復(fù)雜多樣，為很好適應(yīng)實際工程，拓展了B樣條曲線函數(shù)的功能，研究了可生成多種復(fù)雜建筑邊界條件的方法。常用的B樣條曲線函數(shù)只能形成一條固定階次的自由曲線，不能簡單利用。本文研究了可以生成多條、多種階次封閉曲線的B樣條曲線函數(shù)。外部邊界節(jié)點按順時針方向、內(nèi)部邊界節(jié)點按逆時針方向

4、排列識別內(nèi)外邊界。邊界內(nèi)部為設(shè)計域，并利用Delaunay三角剖分技術(shù)對平面設(shè)計域進行了三角劃分。引入包含設(shè)計域的矩形參考平面，根據(jù)建筑形狀要求與節(jié)點移動的操作需求，形成關(guān)鍵點網(wǎng)格，利用B樣條曲面函數(shù)生成曲面。最后把設(shè)計域平面上的所有節(jié)點投影到B樣條曲面上，同時記錄支座條件信息，獲得滿足任意邊界條件的自由曲面初始結(jié)構(gòu)。
　　2.基于B樣條函數(shù)的自由曲面薄殼結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法
　　自由曲面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，與曲面形狀密切相關(guān)，而應(yīng)

5、變能是衡量結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的綜合性指標之一。根據(jù)B樣條曲面關(guān)鍵點坐標的變化與自由曲面薄殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變能的關(guān)系，建立一種高效的自由曲面薄殼形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法。該方法是考慮計算效率、曲面的連續(xù)性與自由曲面的凹凸特性，以初始結(jié)構(gòu)形成過程中的有限個網(wǎng)格點作為關(guān)鍵點并把其作為設(shè)計變量，分析有限個關(guān)鍵點與曲面上的所有有限元三角劃分節(jié)點的關(guān)系，推導(dǎo)了應(yīng)變能對此關(guān)鍵點的敏感度，通過迭代逐步調(diào)整關(guān)鍵點，最終生成合理且光滑的自由曲面結(jié)構(gòu)。通過算例考察了進化過程中的形狀與

6、力學(xué)性能的變化特點與最終結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，總結(jié)了方法的特點。該方法具有較高的計算效率且生成的曲面光滑連續(xù)，可以創(chuàng)構(gòu)出滿足建筑要求且力學(xué)合理的各種自由曲面結(jié)構(gòu)，可在方案設(shè)計階段提供參考。
　　3.基于敏感度差分算法的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法
　　通過敏感度差分算法，將形態(tài)創(chuàng)構(gòu)思想與有限元軟件的強大計算能力結(jié)合起來，提出了基于敏感度差分算法的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法，并以有限元軟件ANSYS為例，驗證了該方法的正確性。雖然此方法計算效率較低，結(jié)構(gòu)的初始形

7、狀確定較繁瑣且不光滑，但可以解決在實際工程中所要求的復(fù)雜的非線性問題。此方法不僅可以解決應(yīng)變能最小化的結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)問題，也可以以其它目標量作為目標函數(shù)創(chuàng)構(gòu)出滿足建筑要求的結(jié)構(gòu)形態(tài)，應(yīng)用范圍較廣，特別是在方案探討階段有著良好的參考價值。并通過算例驗證了此方法的可行性。
　　4.自由曲面薄殼結(jié)構(gòu)試驗和有限元模擬研究
　　自由曲面試驗由于制作復(fù)雜且加載困難，一直被認為是研究自由曲面力學(xué)性能的難點，目前很少見到此方面的研究?；贐樣

8、條理論的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法是基于彈性小變形理論，為了研究結(jié)構(gòu)在非線性情況下的力學(xué)性能和為進一步研究自由曲面特有的力學(xué)性能提供依據(jù)，本文以所提方法得到的結(jié)果作為對象進行了試驗研究。試驗考察了裂縫開展特性、應(yīng)力分布特性和極限承載力。并研究了能夠代替繁瑣試驗的基于有限元的試驗?zāi)M方法，通過試驗數(shù)據(jù)的對比驗證了該方法的可靠性與實用性。這些試驗結(jié)果和試驗?zāi)M研究對自由曲面薄殼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的進一步認識和自由曲面結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用與理論發(fā)展方面有參考價值。

9、r>　　5.研究并總結(jié)所得自由曲面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能
　　自由曲面結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，研究較少。本文通過大量算例，理論與試驗相結(jié)合的方法，考察了進化過程中的結(jié)構(gòu)形狀變化與力學(xué)性能變化的特性，總結(jié)了合理自由曲面結(jié)構(gòu)的受力特點。進化過程中，隨著結(jié)構(gòu)應(yīng)變能的降低，結(jié)構(gòu)的平均位移和最大位移均有不同程度的降低，彎矩比軸力下降的更為明顯，結(jié)構(gòu)最終演變成以受軸力為主的、應(yīng)力分布均勻的結(jié)構(gòu)形式。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)不僅承載力有了提高，而且對缺陷的敏感程