發(fā)布時間：2018-10-12 07:29

【摘要】：結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)是建筑與結(jié)構(gòu)交叉領(lǐng)域新興研究方向之一，是從結(jié)構(gòu)分析出發(fā)，尋求多種“良好”建筑形狀的理論方法，對建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計的進一步發(fā)展有較深的意義。桿系結(jié)構(gòu)類型眾多，在實際工程中應(yīng)用廣泛，桿系結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法的研究具有較高的應(yīng)用價值，有助于建筑形式的多樣化。本文以結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，考慮建筑空間制約條件，以結(jié)構(gòu)剛度最大化為設(shè)計目標，，提出了兼顧形狀、拓撲和截面的桿系結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法。方法中考慮了程序通用性，使方法能夠用于各種桿系結(jié)構(gòu)的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)。本文主要開展以下幾個方面工作： 1.建立了桿系結(jié)構(gòu)的節(jié)點調(diào)整方法 從應(yīng)變能和節(jié)點坐標的關(guān)系出發(fā)，推導了節(jié)點移動應(yīng)變能敏感度表達式，并考慮空間制約條件，得到了受約束節(jié)點移動應(yīng)變能敏感度表達式。詳細分析了節(jié)點移動應(yīng)變能敏感度的特性，提出了根據(jù)應(yīng)變能對節(jié)點坐標的敏感程度逐步調(diào)整節(jié)點來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度最大化的桿系結(jié)構(gòu)形狀創(chuàng)構(gòu)方法。為了提高進化效率，進一步研究了節(jié)點移動方向的修正方法，對桿系結(jié)構(gòu)形狀創(chuàng)構(gòu)方法進行了改進。研究發(fā)現(xiàn)在應(yīng)該能收斂階段，節(jié)點移動敏感度趨于零，此階段的結(jié)構(gòu)具有對初始缺陷不敏感的特點。 2.提出了兼顧拓撲和形狀的桿系結(jié)構(gòu)拓撲形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法 為了評價每個單元在整個結(jié)構(gòu)中抵抗荷載的貢獻程度，定義了單元增減應(yīng)變能敏感度，并將其作為衡量單元承載效率高低的指標。利用單元增減應(yīng)變能敏感度的特性，研究了單元增減的策略，并結(jié)合節(jié)點調(diào)整，提出了兼顧結(jié)構(gòu)拓撲與形狀的創(chuàng)構(gòu)方法。該方法通過直接地消除低效單元和在高效單元附近增加單元，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的拓撲變化，并通過節(jié)點調(diào)整修正拓撲變化過程中的節(jié)點位置和結(jié)構(gòu)形狀。由于單元可增可減，方法的初始結(jié)構(gòu)既可以簡單也可復雜，可靈活選擇。在結(jié)構(gòu)形態(tài)確定后，在方法中還引入了截面優(yōu)化，使方法可以兼顧形狀、拓撲和截面，完善了方法。方法適用廣泛，能夠用于平面及空間中的各類桿系結(jié)構(gòu)的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)。 3.在桿系結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法中考慮了建筑空間制約條件 為增強本文方法的實用性，采用B樣條曲線（曲面）等來表達建筑要求所提出的空間制約條件，并在應(yīng)變能敏感度的推導過程中給予反應(yīng)，使方法所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)能夠滿足建筑要求。此外，還利用初始結(jié)構(gòu)對最終結(jié)構(gòu)的影響，在初始結(jié)構(gòu)確定時以不同的桿件布置手段來體現(xiàn)空間制約條件。由于初始結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)演化的起點，同時也為新桿件生成提供基本的可能空間，對建筑空間制約條件的實現(xiàn)起重要作用。還通過對不同應(yīng)用場合下的空間制約條件的處理，增強了方法的實用性，同時也豐富了結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法的內(nèi)容。 4.研究方法在平面及空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 為了探討方法的適用性，對平面及空間結(jié)構(gòu)中的桁架型結(jié)構(gòu)，樹狀型結(jié)構(gòu)，橋梁型結(jié)構(gòu)等進行了大量算例應(yīng)用實踐。算例展現(xiàn)了方法廣泛的適用性和實用性。針對不同支座條件，不同初始結(jié)構(gòu)條件、不同創(chuàng)構(gòu)策略以及不同結(jié)構(gòu)類型的桿系結(jié)構(gòu)進行形態(tài)創(chuàng)構(gòu)�？疾炝诉M化過程中結(jié)構(gòu)形態(tài)變化和力學性能變化，總結(jié)了創(chuàng)構(gòu)策略對結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的影響和方法的特點。方法所得結(jié)構(gòu)形式具有以軸力傳遞荷載的幾何特征，結(jié)構(gòu)形式多呈現(xiàn)優(yōu)美的弧狀，這有利于建筑造型中美學意圖的實現(xiàn)。同時，所得結(jié)構(gòu)形式符合力學概念，可為結(jié)構(gòu)力學教育和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。 5.研究并總結(jié)了方法所得結(jié)構(gòu)的力學性能 從大量算例的力學量的變化可知，兼顧拓撲與形狀的桿系結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法可以使結(jié)構(gòu)向剛度提高、彎矩降低的方向演化，最終結(jié)構(gòu)將以軸力為主要傳遞荷載方式。方法中的節(jié)點調(diào)整對結(jié)構(gòu)力學性能的改善貢獻較多。對節(jié)點調(diào)整前后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行驗算，結(jié)果表明調(diào)整后結(jié)構(gòu)不僅可提高結(jié)構(gòu)剛度，且可提高極限承載力和改善初始節(jié)點偏差對結(jié)構(gòu)的影響。雖然以應(yīng)變能作為目標函數(shù)，但可同時改善多項力學性能指標：結(jié)構(gòu)剛度，結(jié)構(gòu)極限承載力，結(jié)構(gòu)力學性能的穩(wěn)定性等，這些力學性能在演化過程中具有同時改善的趨勢。 文中方法用Fortran語言編程實現(xiàn)，用ANSYS有限元軟件考察了方法所得結(jié)構(gòu)的一些力學性能。本文還獲得了一套桿系結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)程序。
[Abstract]:The structure form creation structure is one of the emerging research directions in the intersection of architecture and structure, which is from the structural analysis to seek a variety of "Good" The theoretical method of building shape has deep meaning for the further development of architecture and structural design. The structure type of the rod system is numerous, which is widely used in practical engineering, and the research on the shape-building method of the rod system structure has higher application value and contributes to the diversification of the form of the building. Based on the theory of structural optimization, this paper takes into consideration the constraint condition of building space and maximizes the structural rigidity as the design goal, and puts forward the method of constructing the rod system structure with the shape, topology and section. In the method, the generality of the program is taken into account so that the method can be used for the morphogenesis of various rod system structures. This paper mainly carries out the following aspects: 1. The nodal modulation of the structure of the rod system is established. Based on the relation of strain energy and nodal coordinate, the expression of strain energy sensitivity of node is derived, and it is taken into account. The constrained conditions are restricted, and the mobility strain energy of constrained nodes is obtained. In this paper, the characteristic of the sensitivity of the node moving strain energy is analyzed in detail, and the rod system structure with maximum structural rigidity is proposed according to the sensitivity of strain energy to the coordinate of the node. In order to improve the efficiency of evolution, the method for correcting the direction of movement of the node is further studied, and the method for constructing the shape of the rod system structure is further studied. An improvement was made. It was found that in the convergence stage, the node movement sensitivity tends to be zero, and the structure of this phase has no effect on the initial defect. a sensitive feature. A rod-tied knot with topology and shape is proposed. In order to evaluate the contribution of each unit to the resistance load in the whole structure, the structure topological form-forming method defines the sensitivity of the cell increase/ decrease strain energy and uses it as a measure By means of the characteristic of increasing the sensitivity of the unit to increase or decrease the strain energy sensitivity, the strategy of cell increase and decrease is studied, and the node adjustment is combined, and a balance is put forward. The invention realizes the topology change of the structure by directly eliminating the low-efficiency unit and increasing the unit in the vicinity of the high-efficiency unit, The initial structure of the method is simple, in that method, the cross-section optimization is also introduce in the method, so that the method can balance the shape, The method is widely used and can be used in plane and space. The shape of the structure of all kinds of rod systems is invasive. 3. In the form of the rod structure, In the construction method, the constraints of building space are taken into account to enhance the practicability of the method, and B-spline curve (curved surface) is adopted to express the space constraint conditions proposed by the building. the reaction is given during the derivation of the strain energy sensitivity, furthermore, the influence of the initial structure on the final structure is also utilized, because the initial structure is the starting point of the structural evolution, the basic possible space is also provided for the generation of the new rod, It plays an important role in the realization of the restriction condition of the building space. It also enhances the practicability of the method by processing the space constraint conditions in different applications. At the same time, it also enriches the content of structural form-building method. 4. The application of the method in plane and spatial structure in order to explore the applicability of the method, the structure in the plane and spatial structure, The tree-shaped structure, bridge type structure and so on have been calculated Example application practice. Example shows the applicability and practicability of the method. For different bearing conditions, different initial structural conditions, different conditions, In this paper, the structural changes and mechanical properties of the structures in the evolution process were investigated. This paper sums up the influence of the creation strategy on the structural changes and the characteristics of the method. The graceful arc shape, which is beneficial to the realization of aesthetic intention in architectural modeling. At the same time, the resulting structure form The Concept of Mechanical Mechanics can be a Structural Mechanics Education and Structural Design Reference is given. 5. The mechanical properties of the structure obtained by the method are studied and summarized. From the change of the mechanical quantity of a large number of examples, it can be seen that both the topology and the shape of the rod are considered. The structural shape-building method can make the structure provide rigidity to the structure. In the direction of high bending moment, the final structure will take axial force as the main axis. The node adjustment in the method contributes more to the structural mechanics performance. The stability of the structure before and after the adjustment of the node is checked, and the result shows that the post-adjustment structure can be improved not only The structural stiffness can improve the ultimate bearing capacity and improve the effect of the initial node deviation on the structure. Although the strain energy can be used as the objective function, several mechanical performance indexes can be improved at the same time: structural rigidity, structural limit bearing capacity, structural mechanics, The stability of properties, etc., these mechanical properties have a tendency to improve at the same time during the process of evolution. Programming realization, using ANSYS finite element software to study
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TU32

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本文編號：2265291