论文部分内容阅读
自由曲面空间网格结构作为如今空间网格结构发展的一大热点，是自由曲面造型在空间网格结构领域的应用和结合。自由曲面是指无法用解析函数精确表达的曲面，强调连续性的变化。将自由曲面造型的建立与分析自由曲面空间网格结构的合理力学性能的数值方法相结合，即为自由曲面空间网格结构形态创建的基本思想。自由曲面空间网格结构的形态创建是当今空间结构研究领域的前沿和热点问题之一。针对自由曲面在空间网格结构领域的起步较晚，且理论研究和工程应用尚未成熟完善这一现状，本文主要进行了以下几方面的工作: 第一，提出了以梁单元、杆单元等线单元为主的自由曲面空间网格结构单目标形态创建的基本思路和方法，即:基于结构优化找形的思想，以结构的力学性能指标（静力性能和稳定性能）作为优化目标，以遗传算法作为优化算法，通过反复调整“形”，即自由曲面形状控制参数——控制点坐标、权因子和节点矢量，推导出形状控制变量与评价目标之间的关系，进行单参数或者多参数下结构的单目标形态创建，来得到“形”和“态”协调的结构。这里自由曲面造型的创建，主要采用非均匀有理B样条函数对其进行数学描述。形态创建过程中的找形迭代，主要通过自编C++程序实现。通过调用ANSYS进行结构力学性能的有限元分析，实现了形态创建的一体化，并总结了单参数和多参数下单目标形态创建的优缺点。 第二，除了静力性能外，空间网格结构还需要考虑稳定性能和网格布置的影响。基于该特点，本文在提出了单目标形态创建的基础上，进一步提出了自由曲面空间网格结构多目标形态创建的具体思路和方法:首先对结构应变能、挠度、线性屈曲系数等不同目标下结构的单目标形态创建进行了比较，总结了结构的静力性能和稳定性能在形态创建过程中具有非完全一致性的特点。同时考虑到空间网格结构网格布置和本文提出的曲面形状变化程度标准的影响，采用权重系数变换法提出了基于上述四个评价目标组合下自由曲面空间网格结构的多目标形态创建，并对该方法的有效性进行了验证。 第三，由于自由曲面空间网格结构在荷载作用下受力复杂，结构中同时存在着拉、压、弯等受力状态且范围较大，其稳定性能明显区别于传统的球壳、柱壳等空间结构形式，因此对形态创建前后的自由曲面单层网壳和三种不同受力特点的自由曲面单层网壳均进行了不同程度初始缺陷下的几何、材料双非线性稳定性能分析。研究表明，形态创建后的自由曲面单层网壳，结构的屈曲荷载会有较大提升，且其屈曲后性能也会发生变化;三种不同受力特点的自由曲面单层网壳，其屈曲后性能也有明显区别，主要原因是三个不同类型的自由曲面单层网壳结构的受拉、受压和受弯区域所占的比例和位置的不同造成的。 第四，考虑到自由曲面形状的复杂多变，存在较多的曲面曲率变化处，支承条件的变化会对结构的受力性能产生较大的影响，本文对铰接和滑动支座下支座位置和支座数对结构力学性能的影响进行了初步研究。采用自编MATLAB程序，提出了预定力学性能目标下，结构支座数量和支座位置最佳布置的“找位”方法。