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

索桿張力結(jié)構(gòu)（泛張拉整體結(jié)構(gòu)）在形態(tài)控制過(guò)程中必須沿著一條穩(wěn)定的、無(wú)障礙的運(yùn)動(dòng)路徑才能到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)。已有的研究建立在簡(jiǎn)單對(duì)稱構(gòu)型、單步控制等假定之上，未考慮運(yùn)動(dòng)路徑的可行性（未進(jìn)行路徑規(guī)劃），無(wú)法處理更一般的、復(fù)雜的形態(tài)控制問(wèn)題。本項(xiàng)目針對(duì)索桿張力結(jié)構(gòu)形態(tài)控制中的路徑規(guī)劃問(wèn)題展開(kāi)研究，重點(diǎn)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(xué)模型、求解方法、碰撞偵測(cè)三個(gè)方面的理論與方法難點(diǎn)。提出了索桿張力結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的通用理論模型，將位移/內(nèi)力控制、展開(kāi)控制、張拉成形控制、步態(tài)控制等問(wèn)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(kuò)展隨機(jī)樹(shù)算法的索桿張力結(jié)構(gòu)路徑全局規(guī)劃方法，同時(shí)適用于幾何空間與作動(dòng)空間的形態(tài)控制過(guò)程描述；發(fā)展了索桿張力結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑碰撞判斷與碰撞偵測(cè)的實(shí)用算法，兼顧了計(jì)算效率和精度；實(shí)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(yàn)驗(yàn)證，揭示了典型索桿張力結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃場(chǎng)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(xiàng)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(wèn)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(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用提供支撐。 2100433B

索桿張力結(jié)構(gòu)在形態(tài)控制過(guò)程中必須沿著一條穩(wěn)定的、無(wú)障礙的運(yùn)動(dòng)路徑才能到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)。已有的研究建立在簡(jiǎn)單對(duì)稱構(gòu)型、單步控制等假定之上，未考慮運(yùn)動(dòng)路徑的可行性（未進(jìn)行路徑規(guī)劃），無(wú)法處理更一般的、復(fù)雜的形態(tài)控制問(wèn)題。本項(xiàng)目針對(duì)索桿張力結(jié)構(gòu)形態(tài)控制中的路徑規(guī)劃問(wèn)題展開(kāi)研究，重點(diǎn)突破索桿張力結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的理論模型、求解方法、碰撞偵測(cè)三個(gè)方面的理論與方法難點(diǎn)，構(gòu)建索桿張力結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的完整理論模型，建立索桿張力結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的通用求解策略，發(fā)展索桿張力結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑碰撞判斷與碰撞偵測(cè)的實(shí)用算法，實(shí)現(xiàn)索桿張力結(jié)構(gòu)的形態(tài)控制運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的仿真模擬與試驗(yàn)，揭示典型索桿張力結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃特性。本項(xiàng)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(jìn)形態(tài)分析技術(shù)向精細(xì)化、高效化的方向發(fā)展；為索桿張力結(jié)構(gòu)在各個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用提供基礎(chǔ)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(diǎn)，結(jié)構(gòu)的承載潛力將在服役期間的絕大部分時(shí)間里得不到充分發(fā)揮，甚至永遠(yuǎn)被埋沒(méi)。荷載緩和體系是一種在結(jié)構(gòu)中引入某種裝置，當(dāng)外部作用發(fā)生變化時(shí)，由緩和裝置自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的受力性狀，達(dá)到自我調(diào)節(jié)、自我保護(hù)的結(jié)構(gòu)體系。將荷載緩和體系的基本思想應(yīng)用到索桿張力結(jié)構(gòu)中，無(wú)疑更能發(fā)揮索桿張力結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目將通過(guò)新型緩和裝置的構(gòu)建，研究荷載緩和體系中桿長(zhǎng)剛體和滑輪節(jié)點(diǎn)的幾何約束、運(yùn)動(dòng)效率和穩(wěn)定原則；借鑒展開(kāi)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(jì)算理論；對(duì)結(jié)構(gòu)往復(fù)調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其運(yùn)行特性，探討結(jié)構(gòu)在偶然荷載下體系的動(dòng)力特性及性能，并通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本項(xiàng)目的研究將全面建立荷載緩和體系的分析理論，進(jìn)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(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 2100433B

近年來(lái)暴風(fēng)雪災(zāi)害導(dǎo)致的大跨索桿張力結(jié)構(gòu)破壞時(shí)有發(fā)生，給社會(huì)生產(chǎn)和人民生命安全帶來(lái)重大損失，因此研究災(zāi)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(huì)意義和科學(xué)意義。本項(xiàng)目研究了風(fēng)雪作用機(jī)理和數(shù)值模擬方法，對(duì)典型形體索桿張力結(jié)構(gòu)考慮風(fēng)作用的雪荷載不均勻分布進(jìn)行了模擬，提出了球殼屋蓋、單坡屋蓋風(fēng)致積雪分布系數(shù)計(jì)算公式，并引入災(zāi)害雪荷載系數(shù)和融雪再結(jié)冰系數(shù)對(duì)雪荷載模型進(jìn)行了修正，為準(zhǔn)確、安全的災(zāi)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(yīng)力分布規(guī)律，引入截面應(yīng)力修正系數(shù)對(duì)截面平均應(yīng)力進(jìn)行修正。對(duì)索桿張力結(jié)構(gòu)中常用的兩類索支撐壓桿進(jìn)行了非線性有限元分析，探討了支撐索不同初始預(yù)應(yīng)力、初始缺陷和支撐桿不同剛度對(duì)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(xì)梁?jiǎn)卧獜椝苄苑治瞿Ｐ?，?duì)平截面假定進(jìn)行了修正。上述不同構(gòu)件精確的力學(xué)分析模型放棄和修正了傳統(tǒng)基本假定，更準(zhǔn)確地反應(yīng)了構(gòu)件真實(shí)受力狀態(tài)。研究了基于求解運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)則和模式，開(kāi)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(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)倒塌全過(guò)程模擬及動(dòng)態(tài)顯示，研究了不同荷載強(qiáng)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(xué)性能和倒塌破壞模式。采用遺傳算法對(duì)索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行單目標(biāo)和多目標(biāo)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)靈敏度分析研究了結(jié)構(gòu)形狀改變性能的機(jī)理，進(jìn)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(dòng)器最小需求量及布置方案。對(duì)一10米直徑的人字肋環(huán)型索穹頂結(jié)構(gòu)模型開(kāi)展了形狀調(diào)控試驗(yàn)研究，完成了指定節(jié)點(diǎn)的位移調(diào)控和指定桿件的內(nèi)力調(diào)控。上述研究補(bǔ)充和完善了我國(guó)現(xiàn)行建筑荷載規(guī)范中的雪荷載條例，同時(shí)為索桿張力結(jié)構(gòu)的災(zāi)害分析、評(píng)估及防御提供了強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。 2100433B