自適應(yīng)索桿張力結(jié)構(gòu)的理論研究與試驗.pdf

1、變長度單元自適應(yīng)索桿張力結(jié)構(gòu)，是以主動單元長度變化為調(diào)控手段，通過改變結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)以提高適應(yīng)環(huán)境變化能力的一類智能結(jié)構(gòu)。本文以變長度單元自適應(yīng)索桿張力結(jié)構(gòu)的形態(tài)控制為目標，從索桿張力結(jié)構(gòu)受力特性出發(fā)，圍繞主動單元調(diào)控長度計算和最優(yōu)數(shù)量及位置分布等關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究。
　　綜合運用平衡矩陣分解理論、非線性規(guī)劃理論、以及非線性有限元理論對變長度單元自適應(yīng)索桿張力結(jié)構(gòu)的力學基礎(chǔ)進行了系統(tǒng)分析，推導了結(jié)構(gòu)對單元長度變化的非線性響應(yīng)計算

2、公式，并提出了求解策略。所提出的理論分析方法及算法適用于任意荷載工況下的任意類型索桿張力結(jié)構(gòu)，為自適應(yīng)索桿張力結(jié)構(gòu)的分析提供了理論基礎(chǔ)。
　　以張力結(jié)構(gòu)形狀和內(nèi)力控制為目標，以主動單元長度調(diào)控量為未知量，基于非線性有限元理論，推導了目標響應(yīng)與主動單元長度調(diào)控量的增量關(guān)系式，提出了增量迭代求解策略及誤差反饋迭代求解策略。進一步，考慮單元內(nèi)力約束及主動單元調(diào)控長度限制等條件，建立了自適應(yīng)索桿張力結(jié)構(gòu)的形態(tài)非線性優(yōu)化控制數(shù)學模型，從目標

3、響應(yīng)與主動長度調(diào)控量之間的有限元增量關(guān)系出發(fā)，提出了基于序列二次規(guī)劃法SQP的求解策略。
　　基于有限元平衡方程，推導了結(jié)構(gòu)響應(yīng)對主動單元長度變化的靈敏度計算公式，同時建立了自適應(yīng)行為中的形狀控制、內(nèi)力控制以及剛度控制等多目標函數(shù)對所有主動單元調(diào)控量的一階、二階靈敏度矩陣，為序列二次規(guī)劃法求解策略提供了梯度信息。利用所推導靈敏度公式，對Geiger索穹頂和張拉整體結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)響應(yīng)的靈敏度分析，探討了索單元及桿單元類型分別作為主動單

4、元的調(diào)控效率，提出了在不同自適應(yīng)目標下，兩類結(jié)構(gòu)中主動單元的選擇準則，為主動單元的布設(shè)提供參考。
　　基于精確可控條件，利用線性方程組的性質(zhì)，通過對調(diào)控增量計算系數(shù)矩陣的分析，揭示了主動單元數(shù)量及位置與方程組解之間的數(shù)學關(guān)系，提出了主動單元數(shù)量與位置的布設(shè)準則。建立了以調(diào)控增量最小為目標的最優(yōu)位置優(yōu)化數(shù)學模型，提出了基于遺傳算法的求解策略。進一步，以最小化形態(tài)控制誤差、主動單元調(diào)控長度以及主動單元數(shù)量為目標函數(shù)，建立了以主動單元分

5、布向量和調(diào)控長度為變量的混合變量多目標優(yōu)化控制模型，提出了基于非支配排序遺傳算法NSGA-Ⅱ和序列二次規(guī)劃法SQP的分層求解策略。該算法獲得的結(jié)果能直觀地顯示各目標函數(shù)最優(yōu)解之間的矛盾關(guān)系，為決策者制定最合理方案提供了理論參考。
　　在理論分析基礎(chǔ)上，設(shè)計了具有長度可調(diào)單元的Geiger索穹頂模型進行試驗研究，考察了模型在張拉成形過程、調(diào)控響應(yīng)過程、以及加載調(diào)節(jié)過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析表明，試驗模型的預應(yīng)力分布情況與理論