索杆张力结构优化与控制研究

发布时间：2018-07-12 11:53

  本文选题：索杆张力结构 + 压杆屈曲性能　； 参考：《浙江大学》2017年博士论文

【摘要】：以拉索和压杆组合而成的索杆张力结构具有轻质高效的结构特征,已成为空间结构领域研究的热点。本文围绕索杆张力结构,从结构的受力性能分析出发,对结构在设计阶段的优化方法和结构在使用阶段的控制方法进行了深入研究。首先通过平衡矩阵理论对索杆张力结构进行结构体系分类,并确定结构的初始预应力。利用ANSYS非线性有限元分析软件分别对两类索杆张力结构单元进行了压杆屈曲全过程分析,并在计算过程中依次考虑了拉索初始预应力、压杆初始缺陷和上部杆件刚度对于结构受力性能的影响。对索穹顶结构和弦支穹顶结构两类典型的索杆张力结构进行结构受力全过程分析,得到结构在全跨荷载下的受力性能和失效模式。以索穹顶结构为研究对象,编制了利用MATLAB和ANSYS联合计算的索穹顶结构形状优化设计的计算程序。通过遗传算法和非线性有限元分析软件对索穹顶结构中的预应力、杆件截面和形状参数进行同时优化。该程序可实现考虑以降低结构用钢量为目标的单目标优化设计和同时考虑结构用钢量和结构刚度的多目标优化设计过程,指导设计者在设计阶段选取较优的结构设计参数。基于结构受力和变形的关系,推导了用于结构控制中的结构响应灵敏度线性控制理论计算公式。接着推导了索杆张力结构在承载阶段和主动控制阶段的非线性力法计算公式,得到结构形状和内力与主动调控量之间的增量关系,并将推导的结果用于结构控制过程中索杆张力结构节点位移和杆件内力响应灵敏度的分析中。分析并比较了张拉整体结构和索穹顶结构中不同类型单元作为主动控制单元对结构形状和内力的控制效率,为结构控制中主动控制单元的选择提供理论指导。基于非线性力法理论,提出了索杆张力结构的形状和内力控制方法并编制计算程序。建立了结构形状控制、结构内力控制、结构形状和内力同步控制的非线性分析模型。对于主动控制计算过程中方程解的存在性进行分析,提出了满足结构控制目标的最小作动器个数的确定方法和布置准则。在理论分析的基础上,对具有拉索长度可调单元的肋环人字型索穹顶结构模型进行试验研究。分别对模型进行了全跨荷载和半跨荷载下的结构受力性能测试,对不同类型拉索作为主动单元的主动调控试验和以控制结构杆件内力和节点位移为目标的主动控制试验。通过对试验结果和数值分析结果的对比表明,结构对于各类主动单元的长度变化的响应与理论预测结果接近,主动控制试验能够达到预期的控制目标,验证了理论推导的正确性和主动控制方法在索杆张力结构中应用的可行性。本文的研究工作完善和推进了索杆张力结构的受力性能分析、优化设计方法和主动控制方法的发展,为该类结构在工程中的应用提供理论支持和试验验证。
[Abstract]:Based on the theory of nonlinear force method , this paper presents a nonlinear analysis model for the structural shape and internal force of cable - rod tension structure .
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU399

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本文编号：2117066