角锥体系局部双层球面网壳形状优化及稳定性分析

摘要

网壳结构近年来广泛应用于大型体育/文艺场馆、候机/候车大厅、大型购物中心等城市标志性现代公共建筑结构。网壳具有较大的覆盖空间，不同结构形式可以提供不同的建筑造型和使用功能，因此成为一种备受关注且具有发展潜力的结构形式。 角锥体系局部双层球面网壳是在六种典型球面网壳基础上，将杆件按一定规律通过节点连接形成的加强结构形式。角锥体系局部双层球面网壳在整体承载力和抵抗变形能力与单层球面网壳相比都有较大提高，适用于中、大跨度的建筑结构。但此类结构的杆件构成形式较复杂，有关形状优化方面的探讨尚不完善。且角锥体系局部双层球面网壳应用于大跨度建筑结构时，其稳定性问题日益突出，成为结构设计的关键。 本文主要研究内容: 1.应用ANSYS软件APDL编程语言，研制了角锥体系球面网壳参数化设计宏程序，给出了以三角锥和四角锥为基本单元的六种角锥体系球面网壳结构参数化设计与建模方法;分析了此类网壳结构杆件分布和节点连接规律，应用本宏程序只需输入结构宏观几何参数即可生成所需网壳模型。研究了此类网壳结构宏观几何参数与微观几何参数的关系，并给出了相应数学表达式，为实际工程提供有意义的参考。 2.利用ANSYS软件对上述角锥体系球面网壳进行了受力分析，研究了此类网壳结构在均布荷载作用下，结构的最大位移和最不利应力位置和分布情况，为优化设计奠定了基础。 3.在FORTRAN环境下，编制了角锥体系球面网壳基于离散变量的形状优化设计程序，对角锥体系球面网壳进行了形状优化设计。以结构用钢量最省为优化目标，考虑局部性约束和全局性约束，分析得出了不同矢跨比，不同网壳类型，其用钢量受环向重复区域分数和径向节点圈数的影响及变化规律，研究了角锥体系球面网壳主要设计参数的最佳组合规律，即最优网格数，为实际网壳工程的提供参考依据。 4.利用ANSYS软件对优化后的角锥体系球面网壳进行屈曲稳定性分析。进行了屈曲模态分析和考虑几何缺陷的非线性分析。对凯威特型球面网壳不同矢跨比下(1/3～1/7)进行屈曲模态分析，并在此基础上进行了带有几何缺陷的结构非线性全过程分析，通过荷载—位移曲线，分析了各节点的非线性行为，以及矢跨比对非线性行为的影响，得出了对实际工程有参考意义的结论。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 网壳结构概述

1．1．1 网壳结构的发展与应用

1．1．2 网壳结构的优越性

1．2 网壳结构优化设计研究现状

1．3 本文研究工作和意义

第2章 角锥体系局部双层球面网壳参数化设计及受力特点分析

2．1 角锥体系局部双层球面网壳类型和特点

2．1．1 角锥体系局部双层球面网壳类型

2．1．2 角锥体系局部双层球面网壳结构特点

2．1．3 三角锥与四角锥

2．2 参数化建模与设计

2．2．1 ANSYS软件参数化设计语言(APDL)简介

2．2．2 几何描述

2．2．3 参数化建模／设计方法

2．2．4 几何参数输入界面及建模实例

2．3 宏观几何尺寸和微观几何尺寸的关系及应用

2．4 角锥体系局部双层球面网壳设计

2．4．1 载荷设计

2．4．2 杆件设计

2．4．3 节点设计

2．5 角锥体系局部双层球面网壳受力特点分析

2．6 本章小结

第3章 六种角锥体系局部双层球面网壳形状优化设计

3．1 网壳结构形状优化设计方法

3．2 形状优化数学模型及求解方法

3．2．1 形状优化的数学模型

3．2．2 形状两级优化求解方法

3．3 形状优化程序设计及优化结果

3．3．1 形状优化设计思想

3．3．2 角锥体系局部双层球面网壳形状优化

3．4 优化后网壳结构宏微观几何尺寸的应用

3．5 本章小结

第4章 角锥体系局部双层网壳的稳定性分析

4．1 结构稳定性的基本概念

4．1．1 结构屈曲及屈曲的类型

4．1．2 初始缺陷对网壳的影响

4．2 网壳结构稳定性分析的有限元法

4．2．1 特征值(线性)屈曲分析

4．2．2 几何非线性全过程分析

4．3 角锥体系局部双层球面网壳结构稳定性分析

4．3．1 概述

4．3．2 角锥体系局部双层球面网壳特征值屈曲分析

4．3．3 角锥体系局部双层球面网壳非线性分析

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录 离散集

致谢

攻读硕士学位期间参加科研情况

攻读硕士学位期间论文发表情况