自適應索桿張力結構的理論研究與試驗.pdf

1、變長度單元自適應索桿張力結構，是以主動單元長度變化為調控手段，通過改變結構幾何形態(tài)以提高適應環(huán)境變化能力的一類智能結構。本文以變長度單元自適應索桿張力結構的形態(tài)控制為目標，從索桿張力結構受力特性出發(fā)，圍繞主動單元調控長度計算和最優(yōu)數(shù)量及位置分布等關鍵技術進行了深入研究。
　　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索桿張力結構的力學基礎進行了系統(tǒng)分析，推導了結構對單元長度變化的非線性響應計算

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構，為自適應索桿張力結構的分析提供了理論基礎。
　　以張力結構形狀和內力控制為目標，以主動單元長度調控量為未知量，基于非線性有限元理論，推導了目標響應與主動單元長度調控量的增量關系式，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，考慮單元內力約束及主動單元調控長度限制等條件，建立了自適應索桿張力結構的形態(tài)非線性優(yōu)化控制數(shù)學模型，從目標

3、響應與主動長度調控量之間的有限元增量關系出發(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，推導了結構響應對主動單元長度變化的靈敏度計算公式，同時建立了自適應行為中的形狀控制、內力控制以及剛度控制等多目標函數(shù)對所有主動單元調控量的一階、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構進行結構響應的靈敏度分析，探討了索單元及桿單元類型分別作為主動單

4、元的調控效率，提出了在不同自適應目標下，兩類結構中主動單元的選擇準則，為主動單元的布設提供參考。
　　基于精確可控條件，利用線性方程組的性質，通過對調控增量計算系數(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)學關系，提出了主動單元數(shù)量與位置的布設準則。建立了以調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。該算法獲得的結果能直觀地顯示各目標函數(shù)最優(yōu)解之間的矛盾關系，為決策者制定最合理方案提供了理論參考。
　　在理論分析基礎上，設計了具有長度可調單元的Geiger索穹頂模型進行試驗研究，考察了模型在張拉成形過程、調控響應過程、以及加載調節(jié)過程中的結構響應。試驗結果數(shù)據(jù)分析表明，試驗模型的預應力分布情況與理論