自由曲面薄壳结构的形态创构方法与试验研究

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1、博士学位论文自由曲面薄壳结构的形态创构方法与试验研究RESEARCHONMORPHOPOIESISANDEXPERIMENTOFFREE-FORMTHIN-SHELLSTRUCTURE崔国勇哈尔滨工业大学2015年10月国内图书分类号：TU399TU317+.1TU313.1学校代码：10213国际图书分类号：624密级：公开工学博士学位论文自由曲面薄壳结构的形态创构方法与试验研究博士研究生：崔国勇导师：崔昌禹教授申请学位：工学博士学科：土木工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2015年10月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified

2、Index:TU399TU317+.1TU313.1U.D.C:624DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONMORPHOPOIESISANDEXPERIMENTOFFREE-FORMTHIN-SHELLSTRUCTURECandidate：CuiGuoyongSupervisor：Prof.CuiChangyuAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：CivilEngineeringAffiliatio

3、n：SchoolofCivilEngineeringDateofDefence：Oct,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要建筑逐步向大跨、高层方向发展，同时人们追求的建筑已不仅仅是功能空间，更是具有良好视觉效果的自由、灵活，多样的功能与精神感受、美的享受有机统一的人性化的空间。合理且具有良好视觉效果的建筑实践，需要科技的支撑，意味着结构的力学性能在构思建筑方案中的重要性，结构形态的合理性占越来越重要的的地位。现代建筑的实践需要建筑与结构的深层次理

4、解，需要重新认识结构形态的内涵，现代建筑构思中结构不再是单纯的承重骨架，而是构思新型建筑的一种工具。合理且良好建筑效果的结构形态创构方法的建立，不仅是每个结构工程师所关心的问题，而且也是建筑师实现自己建筑理念和意图中必须解决的重要问题。本文以应变能最小化作为结构形态创构问题的设计目标，利用B样条曲面的性质与结构应变能敏感度的特性提出了高效、实用的自由曲面形态创构方法。为解决非线性和更一般意义的形态创构问题，本文还提出了敏感度差分算法的形态创构方法。以所提方法得到的结果为对象进行了试验研究，提出了利用有限元法模拟试验的方法，并考察了进化过程中

5、的自由曲面结构的力学性能，总结了自由曲面结构的特点。本文主要开展以下几方面的工作：1.任意边界的自由曲面薄壳结构初始模型研究在实际工程中，建筑边界条件复杂多样，为很好适应实际工程，拓展了B样条曲线函数的功能，研究了可生成多种复杂建筑边界条件的方法。常用的B样条曲线函数只能形成一条固定阶次的自由曲线，不能简单利用。本文研究了可以生成多条、多种阶次封闭曲线的B样条曲线函数。外部边界节点按顺时针方向、内部边界节点按逆时针方向排列识别内外边界。边界内部为设计域，并利用Delaunay三角剖分技术对平面设计域进行了三角划分。引入包含设计域的矩形参考平

6、面，根据建筑形状要求与节点移动的操作需求，形成关键点网格，利用B样条曲面函数生成曲面。最后把设计域平面上的所有节点投影到B样条曲面上，同时记录支座条件信息，获得满足任意边界条件的自由曲面初始结构。2.基于B样条函数的自由曲面薄壳结构形态创构方法自由曲面结构的力学性能，与曲面形状密切相关，而应变能是衡量结构力学性能的综合性指标之一。根据B样条曲面关键点坐标的变化与自由曲面薄壳结构应变能的关系，建立一种高效的自由曲面薄壳形态创构方法。该方法是考虑计算效率、曲面的连续性与自由曲面的凹凸特性，以初始结构形成过程中的有限个网格点作为关键点并把其作为设

7、计变量，分析有限个关键点与曲面上的所有有限元三角划分节点的关系，推导了应变能对此关键点的敏感度，通过迭代逐步调整关-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文键点，最终生成合理且光滑的自由曲面结构。通过算例考察了进化过程中的形状与力学性能的变化特点与最终结构的力学性能，总结了方法的特点。该方法具有较高的计算效率且生成的曲面光滑连续，可以创构出满足建筑要求且力学合理的各种自由曲面结构，可在方案设计阶段提供参考。3.基于敏感度差分算法的形态创构方法通过敏感度差分算法，将形态创构思想与有限元软件的强大计算能力结合起来，提出了基于敏感度差分算法的形态创构方

8、法，并以有限元软件ANSYS为例，验证了该方法的正确性。虽然此方法计算效率较低，结构的初始形状确定较繁琐且不光滑，但可以解决在实际工程中所要求的复杂的非线性问题。此方法不仅可以解