自由曲面空間結(jié)構(gòu)的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)與力學性能研究結(jié)題摘要

基于NURBS曲面技術，提出了一套自由曲面結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)系統(tǒng)理論和方法。主要內(nèi)容包括：1. 建立以控制點為基和以權重因子為基的廣義坐標系下的結(jié)構(gòu)應變能敏感度確定方法。這為自由曲面空間結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)提供理論基礎; 2. 基于NURBS曲面擬合技術的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法。設定了三種形狀控制變量：控制點、權因子以及曲面上的少量已知點，比較了這三種控制變量調(diào)整策略的特點和適用范圍。提出了基于曲面形狀多參數(shù)調(diào)整策略的形態(tài)創(chuàng)建方法。研究表明，本方法可用于不同類型建筑要求的自由曲面的形態(tài)優(yōu)化。3.基于NURBS曲線變換技術的自由曲面結(jié)構(gòu)的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法?？筛鶕?jù)建筑需要，利用應變能敏感度的性質(zhì)單獨或同時調(diào)整準線與母線，產(chǎn)生的多樣的受力性能合理的自由曲面形狀，可為建筑方案的確定提供廣泛的選擇空間。采用FORTRAN編制成自由曲面空間結(jié)構(gòu)的幾何創(chuàng)建與優(yōu)化程序，通過算例驗證了方法的可靠性。 由于自由曲面結(jié)構(gòu)形式多樣，力學性能復雜多變，為解決這一困難，力學性能研究中提出了2種典型的曲面結(jié)構(gòu)形式：全凸、凹凸模型。對結(jié)構(gòu)進化過程中應變能、應力分布、靜力穩(wěn)定性等力學性能進行了理論研究，同時選取具有凹凸型特征的自由曲面結(jié)構(gòu)進行試驗。理論研究結(jié)果顯示，該方法在使自由曲面結(jié)構(gòu)應變能降低的同時使得結(jié)構(gòu)的位移變小，應力分布趨于均勻，彎曲應力大大降低，靜力穩(wěn)定性提高，對初始缺陷不敏感，極限承載力高且承載力對荷載不對稱作用不敏感等特點。通過試驗驗證了上述力學特性，并考察了自由曲面空間結(jié)構(gòu)破壞形式和裂縫開展的規(guī)律。此外，在進行自由曲面結(jié)構(gòu)的拓撲形態(tài)創(chuàng)構(gòu)之后，采用離散化方法對某些傳統(tǒng)空間曲面殼體及部分NURBS方法創(chuàng)建的自由曲面連續(xù)殼體進行離散化優(yōu)化，算例表明方法有效。 該項目的完成，將對建筑與結(jié)構(gòu)設計提供一種新的設計思路和工具，推動建筑與結(jié)構(gòu)設計由經(jīng)驗型向科學型的理論設計方法轉(zhuǎn)變。創(chuàng)構(gòu)出的自由合理的結(jié)構(gòu)形式的應用，將會改善目前單一的建筑景觀。方法具有重要的理論與應用價值。 項目已發(fā)表被錄用SCI期刊文章1篇，EI期刊及會議論文5篇，核心期刊文章1篇，國際會議9篇，國內(nèi)會議7篇，已經(jīng)投稿在審EI文章1篇，待撰寫的與試驗有關SCI和EI檢索論文各一篇。項目培養(yǎng)已畢業(yè)博士1名碩士4名，在讀博士2名碩士3名。參加國內(nèi)和國際會議，充分了解國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀并宣傳結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法的價值，與同行進行了深入的學術交流。 2100433B

自由曲面是現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向之一,而如何在創(chuàng)造新穎建筑造型的同時確保結(jié)構(gòu)受力的合理性,則是現(xiàn)代工程技術領域的一個難題。以結(jié)構(gòu)形態(tài)學理論和數(shù)值分析技術為基礎的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)思想的提出為解決這一難題提供了有效的途徑。研究表明,采用形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法不僅可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力的合理性,而且可以創(chuàng)造出意想不到的優(yōu)美建筑形體。本研究擬在以往工作的基礎上,針對空間結(jié)構(gòu)的形態(tài)特點，開展深入細致的研究,力爭提出一套完整、實用的自由曲面空間結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)理論與方法。具體研究內(nèi)容包括：自由曲面空間結(jié)構(gòu)的宏觀幾何形態(tài)創(chuàng)構(gòu)和構(gòu)件拓撲形態(tài)創(chuàng)構(gòu)。此外，在以上兩部分工作的基礎上，還擬對自由曲面空間結(jié)構(gòu)的力學特性和失效機理進行數(shù)值模擬和實驗研究，為進一步確定該類結(jié)構(gòu)的可靠度指標奠定基礎。希望通過本項目研究，提升我國在結(jié)構(gòu)形態(tài)學領域的整體研究水平，使我國空間結(jié)構(gòu)向更加健康、更富于活力的方向發(fā)展。

自由曲面是工程中最復雜而又經(jīng)常遇到的曲面，在航空、造船、汽車、家電、機械制造等部門中許多零件外形，如飛機機翼或汽車外形曲面，以及模具工件表面等均為自由曲面。工業(yè)產(chǎn)品的形狀大致上可分為兩類或由這兩類組成:一類是僅由初等解析曲面例如平面、圓柱面、圓錐面、球面等組成。大多數(shù)機械零件屬于這一類?？梢杂卯嫹◣缀闻c機械制圖完全清楚表達和傳遞所包含的全部形狀信息。另一類是不能由初等解析曲面組成，而由復雜方式自由變化的曲線曲面即所謂的自由曲線曲面組成。例如飛機，汽車，船舶的外形零件。自由型曲線曲面因不能由畫法幾何與機械制圖表達清楚，成為擺在工程師面前首要解決的問題。

空間結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)是實現(xiàn)“建筑與結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)統(tǒng)一”的有效途徑，不同的解決思路分別對應著不同的解決方案和結(jié)果，方法與方法之間既有共性，也有區(qū)別。課題組從三種不同的理論基礎出發(fā)，研究了相應的創(chuàng)構(gòu)方法，1）基于感度分析法，2）基于擬機構(gòu)法，3）基于“形圖”與“力圖”的對偶關系，圍繞連續(xù)殼、網(wǎng)殼、包括樹狀結(jié)構(gòu)在內(nèi)的桿支撐以及這三者結(jié)合的復雜空間結(jié)構(gòu)，每種方法都進行了不同程度的拓展延伸。主要內(nèi)容如下：基于感度分析法，建立了以應變能最小化為目標，以結(jié)構(gòu)幾何關鍵點廣義坐標為設計變量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。并進一步的，考慮幾何非線性對創(chuàng)構(gòu)過程的影響，將結(jié)構(gòu)幾何非線性引入到自由曲面殼的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)中，考慮施工便攜性，將直紋面的幾何特性引入到殼的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)中。研究表明，本方法可用于不同類型建筑要求的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)化。擬機構(gòu)法的提出，來源于人們對自然規(guī)律的認識，對機構(gòu)施加外力時，機構(gòu)自行改變原來狀態(tài)在某一新狀態(tài)下停留，而其停留是無彎矩平衡的自然停留。該方法可以最大限度地抑制彎矩，創(chuàng)構(gòu)出以軸力或薄膜力為主要方式傳遞荷載的高效結(jié)構(gòu)，對于桿系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、曲面結(jié)構(gòu)以及它們的組合，均能很好的適用。這對建筑與結(jié)構(gòu)方案的確定有著重要理論意義和工程應用價值。基于“形圖”與“力圖”的對偶關系，通過引入圖解靜力學改進動力松弛法對殼找形，該方法總結(jié)圖解靜力學方法與動力松弛法的特點，在找形過程中能夠直觀深入的認識和了解結(jié)構(gòu)中復雜的形-力關系，為建筑設計者和研究人員從新角度理解殼結(jié)構(gòu)的力學性能提供幫助。該項目從結(jié)構(gòu)形態(tài)的本質(zhì)出發(fā)，探索了能夠使結(jié)構(gòu)向整體性能最優(yōu)方向“自行演變”的環(huán)境、條件、動力以及途徑，建立了較為完整的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法的理論體系，均采用FORTRAN編制成各種形式的空間結(jié)構(gòu)幾何創(chuàng)建及優(yōu)化程序，并且通過算例驗證了方法的可靠性，獲得對混合型空間結(jié)構(gòu)力學性能的初步認識，探索的考慮施工便捷性的結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法，為該類理論指導設計的建筑提供落地實踐的可能，進一步推動建筑與結(jié)構(gòu)設計由經(jīng)驗型向科學型的理論設計方法轉(zhuǎn)變。項目執(zhí)行期內(nèi)，累計發(fā)表SCI期刊論文2篇，EI期刊論文1篇，核心期刊論文2篇，組織成員參加國際會議4人次，發(fā)表國際會議論文2篇，參加國內(nèi)會議9人次，發(fā)表國內(nèi)會議論文9篇，培養(yǎng)博士1名，碩士7名，另有1篇已經(jīng)投稿在審的EI期刊論文1篇，待撰寫的與項目有關的期刊論文3篇，培養(yǎng)在讀博士2名，在讀碩士5名。 2100433B

薄殼、網(wǎng)殼、桿系支撐結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)大跨空間結(jié)構(gòu)的常用手段，而這些體系的有機結(jié)合又給新型大跨空間結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)將提供新的途徑。結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法是尋求建筑物多種“良好形狀”的方法，也是構(gòu)思新型建筑結(jié)構(gòu)的一種有效工具。從結(jié)構(gòu)形態(tài)的本質(zhì)出發(fā)，探索能夠使結(jié)構(gòu)向整體性能最優(yōu)方向“自行演變”的環(huán)境、條件、動力以及途徑，研究支配結(jié)構(gòu)形態(tài)演變的規(guī)律，進而提出能夠兼顧形狀、拓撲、截面的一套完整、實用、高效的桿支承式殼—網(wǎng)混合型自由曲面結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)的方法。該方法能夠處理單一以及混合型結(jié)構(gòu)的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)問題，增強了原有方法的適用性。在此基礎上，采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法，進一步研究經(jīng)過該創(chuàng)構(gòu)方法優(yōu)化后的最終結(jié)構(gòu)的力學特性和失效機制，為進一步確定該類具有自由造型特點結(jié)構(gòu)的可靠性指標奠定基礎。希望通過本項目的研究，提升我國在結(jié)構(gòu)形態(tài)學領域的整體研究水平，使我國空間結(jié)構(gòu)向更加全面、更富于活力的方向發(fā)展。