张拉整体结构多稳态找形分析及力学性能研究

发布时间：2020-04-12 07:04

【摘要】：张拉整体是一种自平衡且稳定的新型结构体系,其几何构型及其预应力的确定过程被称为张拉整体结构找形。本文提出了一种新型高效的张拉整体结构找形算法,该方法结合了经典力密度法和一种群体智能优化算法——粒子群算法。首先以力密度法原理为基础,建立处于自平衡状态下张拉整体结构的平衡方程。将找形问题转化为寻找一组合适的力密度值使得平衡矩阵奇异,从而得到可行的节点坐标向量。建立适应度函数,以粒子群算法作为全局搜索工具寻找合适的力密度值,使该适应度函数取最小值。分别以平面和三维张拉整体作为算例,给出了找形后的结构构型及计算收敛曲线,验证了该算法的可行性。该算法解决了传统力密度法效率低的问题,表现出良好的收敛性,可作为张拉整体结构找形研究的有效工具。找形得到的几何构型具有多样性,可作为具有特殊坐标要求或形状要求的张拉整体构型的找形基础。张拉整体结构具有一定的能量,且当单元的节点移动时,能量会随着单元伸长量的平方而变化。将处于稳定平衡状态的张拉整体结构置于随机荷载的加载——卸载循环作用下,张拉整体结构可能会出现一种更高能量的构型。本文采用动力松弛法找形得到了初始条件相同的张拉整体结构的不同能量状态,证明了张拉整体结构的多稳态现象。随后利用基于粒子群算法的张拉整体找形算法进行再次找形验证,进一步验证了多稳态构型的准确性。考虑到张拉整体的实际应用,设计了带几何约束条件的动力松弛法找形算例,并找到合适的目标构型。一个处于低能量状态的张拉整体,将其中任意一个节点固定,对其余节点施加随机外荷载。该张拉整体在随机外荷载的作用下会发生非线性大变形,其系统能量会不断增大。到某一时间后,将随机外荷载移除,张拉整体将会从高能量状态逐渐向低能量状态变形,最终恢复到稳定平衡状态,这个平衡状态可能是原先的低能量状态,也可能是另一个较高的能量状态。若出现后者,则表明张拉整体完成了不同能量状态之间的转换。为验证张拉整体多稳态构型之间可以相互转换,分别以动力松弛法和向量式有限元为基础,设计研究多稳态张拉整体构型转换的算法进行验证。算例计算结果验证了两种方法的可行性,且两种算法的结论都表明,具有相同初始条件的不同能量状态的张拉整体相互转换时伴随着能量的吸收或耗散。在基于粒子群算法的张拉整体找形算法的基础上,通过对零特征值对应的特征向量的线性组合,提出了两种可用于寻找张拉整体目标构型的方法,并分别举例验证了两种方法的可行性。该方法可获得具有特殊坐标要求或形状要求的张拉整体构型,为构建模块化张拉整体结构提供了参考依据。随后设计了直线型、平板型、环形和自由构型四种模块化张拉整体结构,针对每种结构单元的几何特征建立适应度函数,分别找到了用于构建模块化结构的目标构型单元,且计算结果都表现出良好的收敛性。表现了该找寻目标构型算法的适用性。张拉整体结构具有明显的几何非线性,因而结构的受力分析可采用考虑几何非线性的有限元方法。采用有限元分析软件ANSYS分别对张拉整体单元和模块化张拉整体结构进行静力性能分析,证明了张拉整体单元及其组成的模块化张拉整体结构都是一种稳定的自平衡结构。对比分析不同截面刚度下结构在外荷载作用下的受力性能,验证了结构刚度对抵抗外荷载的重要性。
【图文】：

肌腱,骨骼,张拉整体,绪论

第一章绪论绪论nsegrity）的概念源于大自然的启发。早在 20 世纪 40 年行是按照张拉整体的原理进行的：万有引力是一个平个孤立点。根据 Fuller 的思想，，张拉整体可以被定义为续的受压单元组成的处于自应力状态和稳定的自平衡状存在很多张拉整体的概念。例如人与动物的骨骼和肌腱其中骨骼负责承受压力，而肌腱提供拉力以保持稳定形并控制它们。此外，蜘蛛网的构型、红细胞膜下的连接。美国科学家 Don Ingber 认为“张拉整体是一种生命的“张力集成”，体系中大部分单元处于连续的受拉状态，的孤岛”，反映了大自然“连续拉、间断压”的客观规第一章绪论

张拉整体

连接骨骼并控制它们。此外，蜘蛛网的构型、红细胞膜下的连接工体的概念。美国科学家 Don Ingber 认为“张拉整体是一种生命的形态特点就是“张力集成”，体系中大部分单元处于连续的受拉状态，而张力海洋中的孤岛”，反映了大自然“连续拉、间断压”的客观规律。图 1.1 骨骼与肌腱[1]整体结构最早出现在 1921 年莫斯科的一次展览中，它是拉脱维亚艺完成的一件雕塑作品，如图 1.2。该结构由三个杆单元和七个索单元力索控制，因此整个结构是可控的。这个雕塑模型仅是张拉整体的这个平衡结构与早期的三根杆和九根索组成的张拉整体单元已经很merich 开展了张拉整体结构的早期研究工作，他在研究报告中引用了并将此结构称作“自应力结构”。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU399

【参考文献】