网壳结构多约束截面优化及考虑设计相关荷载的形状优化研究

发布时间：2020-10-24 07:16

　　 网壳结构被广泛应用于大跨度空间建筑,如何设计得到自重轻、力学性能良好的网壳结构一直是空间结构优化研究的热点问题,这需要考虑强度、刚度及结构稳定性等约束,对结构布置、杆件截面、几何形状等开展优化研究。已有的网壳结构截面优化研究中,考虑的约束类型以杆件应力、节点位移为主,对结构整体稳定性的考虑较少;而在网壳结构的形状优化研究中,也常忽略荷载的设计相关特性。针对以上问题,本文选取网壳结构多约束下的截面优化及考虑设计相关荷载的形状优化作为研究方向,主要创新点及工作如下:(1)推导了设计相关荷载作用下结构体积、节点位移、杆件应力、结构应变能、结构特征值屈曲因子对设计变量的一阶微分的表达式(灵敏度分析),探讨了若干类型的设计相关荷载作用下,灵敏度表达式中荷载向量微分的计算。(2)针对杆件应力、杆件稳定性、节点位移、结构特征值屈曲因子等多种类型约束下的网壳结构截面优化问题,提出了两种求解方法:1采用MMA同时处理所有约束的方法;2分别处理局部约束和全局约束的两级优化设计算法。通过案例分析验证了两种求解方法的正确性及求解效率。(3)针对设计相关荷载作用下的网壳结构形状优化问题,基于高度调整法,提出了考虑设计相关荷载的形状优化方法,并对设计相关荷载作用下的灵敏度组成部分展开了讨论。研究结果显示在形状优化过程中仅考虑刚度项(忽略荷载项)会导致灵敏度计算结果不够准确,可能影响优化结果。案例分析表明采用本文所提的考虑设计相关荷载的形状优化算法能够有效地提高结构的强度、刚度及极限承载力。(4)针对网壳结构的形状与截面的组合优化问题,结合多约束下的截面优化方法及考虑设计相关荷载的形状优化方法对形状和截面两类变量交替开展优化设计。案例分析表明采用本文提出的网壳结构形状与截面组合优化方法,可充分考虑两类设计变量之间的耦合关系,能够优化得到较优的几何形状与杆件截面,在使结构体积尽可能小的同时,使结构强度与刚度尽可能大。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU399
【部分图文】：

网壳结构是将杆件沿着某个曲面有规律地布置而组成的空间结构体系。荷载作用下，网壳结构以薄膜作用为主要的受力特征，结构内力以轴力为主[1]。凭借自重轻、结构刚度好等特点，网壳结构能跨越较大空间。同时，网壳结构构件布置的灵活性可以轻易营造出新颖的曲面造型，因此网壳结构是建筑师与结构师乐于采用的一种结构形式，被广泛应用于体育场馆、航站楼、会议厅等公共建筑，见图 1-1。(a) 大英博物馆[2](b) 米兰游乐场[3]

43（c）屋面板单元图 3-9 凯威特网壳结构布置及屋面板单元示意图表 3-3 凯威特网壳结构设计参数量a)材料密度ρ(kg/m3)杆件壁厚t(m)杆件外径下限Dmin(m)材料σma057850 0.003 0.07 和 MMA 优化算法求解本例得到的结果见表 3-4 及

初始结构的顶点高度为 15.00m。六点支承网壳的结构平面及屋面板单元见图4-11。约束底层 6 个节点的平动自由度。考虑结构自重荷载、屋面恒荷载和屋面活荷载。材料信息、杆件截面及荷载作用等设计参数见表 4-4。本例选取除支座外的所有节点的 z 坐标作为设计变量，允许节点在 z 方向移动。除支座节点外，共有 121 个自由节点，设计变量数目为 121。本例考虑的荷载作用包括屋面恒荷载、屋面活荷载、结构自重。与 4.3 节相同，屋面恒荷载及结构自重是设计相关荷载。当仅选取节点的 z 坐标作为设计变量时，结构自重荷载、屋面恒荷载的大小也会随 z 坐标的改变而发生变化，因此每一迭代步完成，下一迭代步开始前，需先根据当前的节点坐标重新计算荷载向量。除此之外，计算灵敏度时
【参考文献】

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本文编号：2854177