大矢跨比球网壳结构形状优化设计及建筑节能方案

摘要

近年来，随着科技展厅、球幕影院等场馆不断兴建，超半球网壳结构受到了一些建筑设计师和结构工程师的关注，因其具有网格划分自由、受力均匀合理、重量轻刚度大等优点，越来越多地被应用到实际工程中。
　　本文以大矢跨比穹顶网壳结构为研究对象，借助有限元软件ANSYS进行参数化设计和稳定性分析，运用Fortran语言编制形状优化程序，具体的研究内容包括:
　　(1)根据球面网壳节点坐标和杆件连接的基本形式，应用APDL语言对肋环型、施威德勒型、联方型、凯威特型、短程线型五种大矢跨比球网壳结构进行参数化设计，分析了均布荷载下超半球网壳整体结构与各类杆件的受力特性，以及半球心角、环向区域份数和径向节点圈数对结构整体静力性能的影响。
　　(2)根据余弦定理和空间两点间距离公式建立了结构宏观参数（包括球半径R、半球心角α、径向节点圈数nx、环向区域份数kn）和微观参数（包括各类杆件长度及杆件之间的夹角）之间的数学模型，通过给出杆件长度范围来控制结构的网格参数，为该类网壳的组合设计提供数学参考。
　　(3)对肋环型、联方型、凯威特型、短程线型四类大矢跨比球网壳结构运用离散变量序列两级优化算法进行形状优化设计，以结构总耗钢量为目标函数，考虑杆件、节点和整体结构的强度、刚度和稳定性等约束条件，通过分析数百个形状优化设计结果，得到半球心角α、环向区域份数kn、径向节点圈数nx和网格划分形式对结构总耗钢量的影响，为工程实际提供设计参考。
　　(4)以肋环型为例对大矢跨比球网壳结构进行特征值屈曲分析，获取结构前六阶特征值和屈曲模态，得到不同球心角下结构理想状态的临界荷载;采用“一致缺陷模态法”对结构进行非线性屈曲分析，得到结构的荷载-位移响应曲线和考虑初始缺陷的极限荷载，研究结构薄弱环节对整体稳定性能的影响，为结构设计提供参考。
　　(5)球幕影院和天象馆是该类大矢跨比球网壳结构的最广泛应用，在实际场馆中舒适性和建筑节能同样重要。基于GAMBIT软件建立球幕影院内部的简化模型，通过计算流体力学软件FLUENT对球幕影院在新型节能置换通风方式正常工作时的气流组织情况进行数值模拟和热舒适性评价，为球幕影院的空调系统设计提供参考依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 大矢跨比球网壳结构的发展现状

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 大矢跨比球网壳结构参数化设计及静力性能分析

2．1 大矢跨比球网壳结构参数化设计

2．1．1 参数化设计方法

2．1．2 正二十面体的几何特性

2．1．3 球面网壳的参数化设计

2．2 网壳结构几何参数关系式推导及应用

2．2．1 宏微观典型几何参数关系式

2．2．2 典型几何参数关系式应用

2．3 球面网壳的静力性能分析

2．3．1 计算模型及参数设置

2．3．2 静力性能分析

2．3．3 静力性能的影响因素

2．4 本章小结

第3章 大矢跨比球网壳结构的形状优化设计

3．1 网壳结构形状优化方法

3．2 形状优化数学模型及程序设计

3．2．1 形状优化数学模型

3．2．2 形状优化程序设计

3．3 形状优化结果

3．4 本章小结

第4章 大矢跨比球网壳结构的稳定性分析

4．1 结构的稳定和屈曲

4．2 ANSYS屈曲分析

4．3 特征值屈曲分析

4．4 非线性屈曲分析

4．5 本章小结

第5章 球幕影院建筑节能设计方案

5．1 球幕影院气流组织方式简介

5．2 置换通风

5．3 物理与数学模型

5．4 CFD模拟结果分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况