自由曲面形态创构与网格划分技术研究

发布时间：2018-01-07 03:33

  本文关键词：自由曲面形态创构与网格划分技术研究　出处：《哈尔滨工业大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 单层网壳结构 Loop细分 主次结构 应变能敏感度

【摘要】：单层网壳结构以其自重轻、刚度大、造型丰富等特点,在大跨度空间结构中有较为广泛的应用。目前对单层网壳的造型研究已经比较成熟,解析曲面与自由曲面的设计方法多种多样,可以创构各种形式的曲面网格。但对网格内部的再次造型技术研究较少。本文针对单层网壳网格内部的再次造型,以单层网壳为结构主框架,基于Loop细分方法在网格内部创构次级结构,并根据应变能敏感度方法对其进行节点优化,改善通过几何关系形成的次级结构力学性能。将优化后的次级结构与主框架结构进行拼装,最终形成具有主次结构关系的单层网壳结构。其创构方法主要包括以下内容:1.主框架结构的选取主框架结构的选取是本方法的基础。荷载直接作用于次级结构,通过次级杆件传递给主框架结构,再传递至地面,主框架结构的力学合理性尤为重要;并且,主框架结构作为建筑的主要支撑体系,对建筑整体造型起到决定性作用,主框架结构的美观性同样是结构选取的一个重要因素。本文中以拟机构方法与遗传算法优化得到的单层网壳作为结构主框架,对方法进行说明;2.次级结构的创构本文将计算机图形学中的Loop细分方法引用到次级结构网格的构建中,通过对网格进行选取中心控制点、网格粗分、网格细分等一系列操作,构建出次级结构初始模型。由于Loop细分网格基于几何方法生成,需要对其力学性能进行优化,本文中选取结构应变能作为优化目标函数,通过调整节点Z坐标,使结构应变能降至最低。从而形成兼具美观性与受力合理性的次级网格结构;3.主次结构一体化方法根据主框架网格划分情况,对其网格内部进行再次造型,创构次级结构。主次结构根据荷载换算关系联系到一起,在对主结构的每个网格创构次级结构之后,将主次结构进行拼装,形成具有主次结构关系的单层网壳结构。在次级结构创构的过程中,对结构整体的应变能变化进行分析,论证方法的合理性。利用本文方法建立的具有主次结构关系的单层网壳结构受力合理、形式新颖、造型美观、具有很强的视觉冲击力。由于创构次级结构是对主框架结构网格单元进行独立的操作,网格的形状、大小、分布特征均不受限制,方法的适应性很强,应用范围较广,对于合理的网壳结构均可对其创构次级结构。同时,在创构多个算例过程中,整体结构应变能变化趋势相同,方法计算性能稳定,可靠度高。相信本方法将对单层网壳的造型研究开辟一个全新的方向。
[Abstract]:Single layer latticed shell structure has been widely used in large span space structure because of its light weight, large stiffness and rich shape. At present, the research on the modeling of single layer latticed shell has been more mature. The design methods of analytic surface and free surface are various, which can create various forms of surface mesh. However, there are few researches on the re-modeling technology of mesh interior. This paper focuses on the re-modeling of single-layer reticulated shell mesh. The single-layer reticulated shell is used as the main frame, and the secondary structure is constructed in the grid based on Loop subdivision method, and the nodes are optimized according to the strain energy sensitivity method. To improve the mechanical properties of secondary structure formed by geometric relationship, the optimized secondary structure and the main frame structure are assembled. Finally, the single-layer latticed shell structure with primary and secondary structure relationship is formed. 1. The selection of the main frame structure is the basis of this method. The load acts directly on the secondary structure. The mechanical rationality of the main frame structure is especially important when the secondary member is transferred to the main frame structure and then transferred to the ground. Moreover, the main frame structure, as the main supporting system of the building, plays a decisive role in the overall modeling of the building. The aesthetics of the main frame structure is also an important factor in the selection of the structure. In this paper, the single-layer latticed shell optimized by the quasi-mechanism method and the genetic algorithm is used as the main frame of the structure, and the method is explained. 2. In this paper, the Loop subdivision method in computer graphics is introduced to the construction of the secondary structure grid. By selecting the center control point of the grid, the mesh is roughly divided. A series of operations, such as mesh subdivision, are used to construct the initial model of secondary structure. Because Loop subdivision mesh is generated by geometric method, its mechanical performance needs to be optimized. In this paper, the strain energy of the structure is chosen as the optimization objective function. By adjusting the Z coordinate of the node, the strain energy of the structure is reduced to the lowest. 3. The integration method of the primary and secondary structure is based on the grid division of the main frame, and the meshes are modeled again to create the secondary structure. The primary and secondary structures are linked together according to the load conversion relationship. After creating the secondary structure of each mesh of the main structure, the primary and secondary structure is assembled to form a single-layer latticed shell structure with the relationship of the primary and secondary structure. The variation of strain energy of the whole structure is analyzed and the rationality of the method is demonstrated. The single-layer latticed shell structure with primary and secondary structure relationship established in this paper has the advantages of reasonable force, novel form and beautiful shape. Because the secondary structure is an independent operation of the grid element of the main frame structure, the shape, size and distribution of the mesh are not restricted, so the method is very adaptable. For reasonable reticulated shell structure, the secondary structure can be constructed. At the same time, the strain energy change trend of the whole structure is the same, and the calculation performance of the method is stable. The reliability is high. It is believed that this method will open a new direction for the modeling research of single-layer latticed shells.
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU399

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本文编号：1390821