【摘要】：張拉整體是一種自平衡且穩(wěn)定的新型結(jié)構(gòu)體系,其幾何構(gòu)型及其預(yù)應(yīng)力的確定過程被稱為張拉整體結(jié)構(gòu)找形。本文提出了一種新型高效的張拉整體結(jié)構(gòu)找形算法,該方法結(jié)合了經(jīng)典力密度法和一種群體智能優(yōu)化算法——粒子群算法。首先以力密度法原理為基礎(chǔ),建立處于自平衡狀態(tài)下張拉整體結(jié)構(gòu)的平衡方程。將找形問題轉(zhuǎn)化為尋找一組合適的力密度值使得平衡矩陣奇異,從而得到可行的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)向量。建立適應(yīng)度函數(shù),以粒子群算法作為全局搜索工具尋找合適的力密度值,使該適應(yīng)度函數(shù)取最小值。分別以平面和三維張拉整體作為算例,給出了找形后的結(jié)構(gòu)構(gòu)型及計(jì)算收斂曲線,驗(yàn)證了該算法的可行性。該算法解決了傳統(tǒng)力密度法效率低的問題,表現(xiàn)出良好的收斂性,可作為張拉整體結(jié)構(gòu)找形研究的有效工具。找形得到的幾何構(gòu)型具有多樣性,可作為具有特殊坐標(biāo)要求或形狀要求的張拉整體構(gòu)型的找形基礎(chǔ)。張拉整體結(jié)構(gòu)具有一定的能量,且當(dāng)單元的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí),能量會(huì)隨著單元伸長量的平方而變化。將處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)的張拉整體結(jié)構(gòu)置于隨機(jī)荷載的加載——卸載循環(huán)作用下,張拉整體結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)一種更高能量的構(gòu)型。本文采用動(dòng)力松弛法找形得到了初始條件相同的張拉整體結(jié)構(gòu)的不同能量狀態(tài),證明了張拉整體結(jié)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。隨后利用基于粒子群算法的張拉整體找形算法進(jìn)行再次找形驗(yàn)證,進(jìn)一步驗(yàn)證了多穩(wěn)態(tài)構(gòu)型的準(zhǔn)確性。考慮到張拉整體的實(shí)際應(yīng)用,設(shè)計(jì)了帶幾何約束條件的動(dòng)力松弛法找形算例,并找到合適的目標(biāo)構(gòu)型。一個(gè)處于低能量狀態(tài)的張拉整體,將其中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)固定,對(duì)其余節(jié)點(diǎn)施加隨機(jī)外荷載。該張拉整體在隨機(jī)外荷載的作用下會(huì)發(fā)生非線性大變形,其系統(tǒng)能量會(huì)不斷增大。到某一時(shí)間后,將隨機(jī)外荷載移除,張拉整體將會(huì)從高能量狀態(tài)逐漸向低能量狀態(tài)變形,最終恢復(fù)到穩(wěn)定平衡狀態(tài),這個(gè)平衡狀態(tài)可能是原先的低能量狀態(tài),也可能是另一個(gè)較高的能量狀態(tài)。若出現(xiàn)后者,則表明張拉整體完成了不同能量狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。為驗(yàn)證張拉整體多穩(wěn)態(tài)構(gòu)型之間可以相互轉(zhuǎn)換,分別以動(dòng)力松弛法和向量式有限元為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)研究多穩(wěn)態(tài)張拉整體構(gòu)型轉(zhuǎn)換的算法進(jìn)行驗(yàn)證。算例計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了兩種方法的可行性,且兩種算法的結(jié)論都表明,具有相同初始條件的不同能量狀態(tài)的張拉整體相互轉(zhuǎn)換時(shí)伴隨著能量的吸收或耗散。在基于粒子群算法的張拉整體找形算法的基礎(chǔ)上,通過對(duì)零特征值對(duì)應(yīng)的特征向量的線性組合,提出了兩種可用于尋找張拉整體目標(biāo)構(gòu)型的方法,并分別舉例驗(yàn)證了兩種方法的可行性。該方法可獲得具有特殊坐標(biāo)要求或形狀要求的張拉整體構(gòu)型,為構(gòu)建模塊化張拉整體結(jié)構(gòu)提供了參考依據(jù)。隨后設(shè)計(jì)了直線型、平板型、環(huán)形和自由構(gòu)型四種模塊化張拉整體結(jié)構(gòu),針對(duì)每種結(jié)構(gòu)單元的幾何特征建立適應(yīng)度函數(shù),分別找到了用于構(gòu)建模塊化結(jié)構(gòu)的目標(biāo)構(gòu)型單元,且計(jì)算結(jié)果都表現(xiàn)出良好的收斂性。表現(xiàn)了該找尋目標(biāo)構(gòu)型算法的適用性。張拉整體結(jié)構(gòu)具有明顯的幾何非線性,因而結(jié)構(gòu)的受力分析可采用考慮幾何非線性的有限元方法。采用有限元分析軟件ANSYS分別對(duì)張拉整體單元和模塊化張拉整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力性能分析,證明了張拉整體單元及其組成的模塊化張拉整體結(jié)構(gòu)都是一種穩(wěn)定的自平衡結(jié)構(gòu)。對(duì)比分析不同截面剛度下結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的受力性能,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)剛度對(duì)抵抗外荷載的重要性。
【圖文】：

第一章 緒論緒論nsegrity）的概念源于大自然的啟發(fā)。早在 20 世紀(jì) 40 年行是按照張拉整體的原理進(jìn)行的：萬有引力是一個(gè)平個(gè)孤立點(diǎn)。根據(jù) Fuller 的思想，，張拉整體可以被定義為續(xù)的受壓單元組成的處于自應(yīng)力狀態(tài)和穩(wěn)定的自平衡狀存在很多張拉整體的概念。例如人與動(dòng)物的骨骼和肌腱其中骨骼負(fù)責(zé)承受壓力，而肌腱提供拉力以保持穩(wěn)定形并控制它們。此外，蜘蛛網(wǎng)的構(gòu)型、紅細(xì)胞膜下的連接。美國科學(xué)家 Don Ingber 認(rèn)為“張拉整體是一種生命的“張力集成”，體系中大部分單元處于連續(xù)的受拉狀態(tài)，的孤島”，反映了大自然“連續(xù)拉、間斷壓”的客觀規(guī)第一章 緒論

連接骨骼并控制它們。此外，蜘蛛網(wǎng)的構(gòu)型、紅細(xì)胞膜下的連接工體的概念。美國科學(xué)家 Don Ingber 認(rèn)為“張拉整體是一種生命的形態(tài)特點(diǎn)就是“張力集成”，體系中大部分單元處于連續(xù)的受拉狀態(tài)，而張力海洋中的孤島”，反映了大自然“連續(xù)拉、間斷壓”的客觀規(guī)律。圖 1.1 骨骼與肌腱[1]整體結(jié)構(gòu)最早出現(xiàn)在 1921 年莫斯科的一次展覽中，它是拉脫維亞藝完成的一件雕塑作品，如圖 1.2。該結(jié)構(gòu)由三個(gè)桿單元和七個(gè)索單元力索控制，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)是可控的。這個(gè)雕塑模型僅是張拉整體的這個(gè)平衡結(jié)構(gòu)與早期的三根桿和九根索組成的張拉整體單元已經(jīng)很merich 開展了張拉整體結(jié)構(gòu)的早期研究工作，他在研究報(bào)告中引用了并將此結(jié)構(gòu)稱作“自應(yīng)力結(jié)構(gòu)”。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU399

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2624425