基于混合优化算法的自由曲面结构形态创建

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1、硕士学位论文基于混合优化算法的自由曲面结构形态创建COMPUTATIONALMORPHOGENESISOFFREE-FORMSTRUCTURESBASEDONHYBRIDOPTIMIZATIONMETHOD夏毅哈尔滨工业大学2015年07月国内图书分类号：TU393.3学校代码：10213国际图书分类号：624.04密级：公开工学硕士学位论文基于混合优化算法的自由曲面结构形态创建硕士研究生：夏毅导师：武岳教授申请学位：工学硕士学科：结构工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU393.3U.D.C:624.04

2、DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringCOMPUTATIONALMORPHOGENESISOFFREE-FORMSTRUCTURESBASEDONHYBRIDOPTIMIZATIONMETHODCandidate：XiaYiSupervisor：Prof.WuYueAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：ArchitecturalandCivilEngineeringAffiliation：SchoolofCivilEngineeringDateofDefence：J

3、une,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要现代空间结构的发展不仅体现在结构的跨度上，而且对结构的造型、建筑表达意图和视觉冲击力都提出了新的要求，这使得自由形态空间结构成为现代空间结构的重要发展方向之一。相比于传统曲面结构，如鞍型曲面、球面、柱面结构等，自由曲面结构的形状更加复杂，寻求合理的形状与良好的受力性能成为研究自由曲面结构设计最为关键的问题之一，也是当前结构形态研究的热点问题。为了提升自由曲面结构形态创建的效率，获得形态更为丰富的自由曲面结构，本文提出了基

4、于混合优化算法的自由曲面结构形态创建方法，并开展了如下研究工作：（1）混合优化算法的建立建立了综合梯度法与模式搜索法的混合优化算法，解决了算法中的两个关键问题，优化方向的确定和优化步长的确定。在确定优化方向过程中，以问题目标函数对控制参数的近似负梯度作为优化方向，在避免梯度优化算法繁琐的求导计算的同时，考虑了智能优化算法使用中忽视的重要参数间的数学关系的问题；在确定优化步长时，采用变步长策略，通过“粗糙搜索”和“精确搜索”两个步骤获得更优解，其中“粗糙搜索”步骤是快速获得更优解区间，“精确搜索”步骤是获得精确的更优解。最后通过若干算例进行了算法的验证，总结出算法使用的特点。（2）基

5、于形状调整的自由曲面结构形态创建采用提出的混合优化算法建立了基于形状调整的自由曲面结构形态创建方法。该方法利用NURBS曲面技术缩减了形态优化中的形状控制参数，提高了形态创建的效率。然后通过若干算例分析，验证了方法的有效性。最后，将形态创建完成的曲面形状扩展用于网壳结构中进行全过程分析，通过与初始曲面形状的网壳计算结果的对比，表明经过该方法创建的曲面形状可以用于更多的曲面结构形式，提供更加优秀的受力性能。（3）基于形状与厚度联合调整的自由曲面结构形态创建通过引入NURBS实体建模技术，建立了可以同时调整自由曲面结构形状与厚度的形态创建方法。通过若干算例分析，验证了方法的有效性。然后

6、通过对自由曲面薄壳结构形态创建结果的分析，可以发现，创建完成的薄壳结构的厚度分布可以反映出薄壳结构各部分的传递荷载的权重，代表薄壳结构的“传力骨架”。关键词：自由曲面；混合优化；形态创建；NURBS；形状与厚度调整；-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractDuringthelonghistoryoftheconstructionofthespatialstructures,shellstructuresasatypicaltypeplayanimportantrole.Fromthepasttonow,structuralengineersbuildmanyrepres

7、entativeshellstructures.Forthepresentdemandsofourhumanbeings,theshellstructuresarebuiltnotonlycaringaboutthemaxspan,butalsoforthearchitecturalexpressionsandnovelshape.Andthesedemandsbecometheoneofmostimportantdevelopmentdirectioninspati