索桿張力結(jié)構(gòu)形態(tài)控制中的路徑規(guī)劃問題研究

索桿張力結(jié)構(gòu)（泛張拉整體結(jié)構(gòu)）在形態(tài)控制過程中必須沿著一條穩(wěn)定的、無障礙的運動路徑才能到達目標狀態(tài)。已有的研究建立在簡單對稱構(gòu)型、單步控制等假定之上，未考慮運動路徑的可行性（未進行路徑規(guī)劃），無法處理更一般的、復雜的形態(tài)控制問題。本項目針對索桿張力結(jié)構(gòu)形態(tài)控制中的路徑規(guī)劃問題展開研究，重點突破索桿張力結(jié)構(gòu)形態(tài)控制的路徑規(guī)劃的數(shù)學模型、求解方法、碰撞偵測三個方面的理論與方法難點。提出了索桿張力結(jié)構(gòu)運動路徑規(guī)劃的通用理論模型，將位移/內(nèi)力控制、展開控制、張拉成形控制、步態(tài)控制等問題均統(tǒng)一到路徑規(guī)劃的框架下；建立了基于雙向快速擴展隨機樹算法的索桿張力結(jié)構(gòu)路徑全局規(guī)劃方法，同時適用于幾何空間與作動空間的形態(tài)控制過程描述；發(fā)展了索桿張力結(jié)構(gòu)運動路徑碰撞判斷與碰撞偵測的實用算法，兼顧了計算效率和精度；實現(xiàn)了多種形態(tài)可控索桿張力結(jié)構(gòu)的路徑規(guī)劃仿真分析與試驗驗證，揭示了典型索桿張力結(jié)構(gòu)運動路徑規(guī)劃場景的特征；研發(fā)了多種基于索桿張力結(jié)構(gòu)形態(tài)可控性的新型結(jié)構(gòu)體系。本項目的研究完善與深化了索桿張力結(jié)構(gòu)的形態(tài)控制理論，解決了索桿張力結(jié)構(gòu)形態(tài)控制路徑規(guī)劃的理論模型與求解方法問題，為利用索桿張力結(jié)構(gòu)的形態(tài)可控性以及發(fā)展基于索桿張力結(jié)構(gòu)形態(tài)可控性的新型結(jié)構(gòu)體系提供了基本理論與方法，為索桿張力結(jié)構(gòu)在各個交叉學科領(lǐng)域的創(chuàng)新應用提供支撐。 2100433B

索桿張力結(jié)構(gòu)在形態(tài)控制過程中必須沿著一條穩(wěn)定的、無障礙的運動路徑才能到達目標狀態(tài)。已有的研究建立在簡單對稱構(gòu)型、單步控制等假定之上，未考慮運動路徑的可行性（未進行路徑規(guī)劃），無法處理更一般的、復雜的形態(tài)控制問題。本項目針對索桿張力結(jié)構(gòu)形態(tài)控制中的路徑規(guī)劃問題展開研究，重點突破索桿張力結(jié)構(gòu)運動路徑規(guī)劃的理論模型、求解方法、碰撞偵測三個方面的理論與方法難點，構(gòu)建索桿張力結(jié)構(gòu)運動路徑規(guī)劃的完整理論模型，建立索桿張力結(jié)構(gòu)運動路徑規(guī)劃的通用求解策略，發(fā)展索桿張力結(jié)構(gòu)運動路徑碰撞判斷與碰撞偵測的實用算法，實現(xiàn)索桿張力結(jié)構(gòu)的形態(tài)控制運動路徑規(guī)劃的仿真模擬與試驗，揭示典型索桿張力結(jié)構(gòu)的運動路徑規(guī)劃特性。本項目的研究將完善與深化索桿張力結(jié)構(gòu)的形態(tài)控制理論，促進形態(tài)分析技術(shù)向精細化、高效化的方向發(fā)展；為索桿張力結(jié)構(gòu)在各個交叉學科領(lǐng)域的創(chuàng)新應用提供基礎理論與方法支撐。

大跨度索桿張力結(jié)構(gòu)由于其自身的特點，結(jié)構(gòu)的承載潛力將在服役期間的絕大部分時間里得不到充分發(fā)揮，甚至永遠被埋沒。荷載緩和體系是一種在結(jié)構(gòu)中引入某種裝置，當外部作用發(fā)生變化時，由緩和裝置自動調(diào)整結(jié)構(gòu)的受力性狀，達到自我調(diào)節(jié)、自我保護的結(jié)構(gòu)體系。將荷載緩和體系的基本思想應用到索桿張力結(jié)構(gòu)中，無疑更能發(fā)揮索桿張力結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。本項目將通過新型緩和裝置的構(gòu)建，研究荷載緩和體系中桿長剛體和滑輪節(jié)點的幾何約束、運動效率和穩(wěn)定原則；借鑒展開結(jié)構(gòu)的分析方法，建立索桿張力結(jié)構(gòu)中的緩和裝置體系的計算理論；對結(jié)構(gòu)往復調(diào)節(jié)過程進行數(shù)值模擬，分析其運行特性，探討結(jié)構(gòu)在偶然荷載下體系的動力特性及性能，并通過模型試驗進行驗證。本項目的研究將全面建立荷載緩和體系的分析理論，進一步改善索桿張力結(jié)構(gòu)的受力性能，為大跨度索桿張力結(jié)構(gòu)荷載緩和體系的應用提供堅實的理論基礎。 2100433B

近年來暴風雪災害導致的大跨索桿張力結(jié)構(gòu)破壞時有發(fā)生，給社會生產(chǎn)和人民生命安全帶來重大損失，因此研究災害雪荷載作用下索桿張力結(jié)構(gòu)的倒塌破壞和控制具有重要的社會意義和科學意義。本項目研究了風雪作用機理和數(shù)值模擬方法，對典型形體索桿張力結(jié)構(gòu)考慮風作用的雪荷載不均勻分布進行了模擬，提出了球殼屋蓋、單坡屋蓋風致積雪分布系數(shù)計算公式，并引入災害雪荷載系數(shù)和融雪再結(jié)冰系數(shù)對雪荷載模型進行了修正，為準確、安全的災害雪荷載確定提供依據(jù)。建立了鋼拉索靜力拉伸模型，考察了拉索抗彎剛度及截面應力分布規(guī)律，引入截面應力修正系數(shù)對截面平均應力進行修正。對索桿張力結(jié)構(gòu)中常用的兩類索支撐壓桿進行了非線性有限元分析，探討了支撐索不同初始預應力、初始缺陷和支撐桿不同剛度對壓桿及索桿單元穩(wěn)定性的影響。建立了適用于向量式有限元的精細梁單元彈塑性分析模型，對平截面假定進行了修正。上述不同構(gòu)件精確的力學分析模型放棄和修正了傳統(tǒng)基本假定，更準確地反應了構(gòu)件真實受力狀態(tài)。研究了基于求解運動路徑的結(jié)構(gòu)屈曲跟蹤方法，建立了斷裂、碰撞等不連續(xù)行為的判斷準則和模式，開發(fā)了基于向量式有限元的索桿張力結(jié)構(gòu)非線性分析程序，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)倒塌全過程模擬及動態(tài)顯示，研究了不同荷載強度、荷載分布及索破斷、支座破壞等初始缺陷下結(jié)構(gòu)力學性能和倒塌破壞模式。采用遺傳算法對索穹頂結(jié)構(gòu)進行單目標和多目標形狀優(yōu)化設計，通過靈敏度分析研究了結(jié)構(gòu)形狀改變性能的機理，進一步提出了基于非線性力法的索桿結(jié)構(gòu)控制方法，可求解作動器最小需求量及布置方案。對一10米直徑的人字肋環(huán)型索穹頂結(jié)構(gòu)模型開展了形狀調(diào)控試驗研究，完成了指定節(jié)點的位移調(diào)控和指定桿件的內(nèi)力調(diào)控。上述研究補充和完善了我國現(xiàn)行建筑荷載規(guī)范中的雪荷載條例，同時為索桿張力結(jié)構(gòu)的災害分析、評估及防御提供了強有力的理論基礎和技術(shù)支持。 2100433B