张力结构形状调整优化分析

摘要

多年来各国学者以降低造价为目标对张力结构进行优化研究，而张力结构单位面积的用钢量已经很小，对以减少材料用量为目标的优化意义不大。本文在张力结构杆件中装入作动器，并构建优化模型，通过作动器的工作改变杆件长度从而调整结构形状，求得结构达到最优状态所需的作动器的调整量，保证结构在各种荷载工况下都以最优的姿态承力。 首先定义了结构的合理工作状态系数，得出了作动器与杆件串联时的综合刚度和考虑作动器主动变形量的节点位移方程，并从强度和刚度两方面进行研究，分别构建各自的优化模型，达到对结构强度或刚度优化的目的。 以极小化最大受力杆件内力为目标，以作动器的主动变形量为设计变量，以作动器参数、索始终受拉及关键节点自由度位移限制值为约束条件对结构进行强度优化。以极小化最大节点位移为目标，以作动器参数和索始终受拉为约束条件对结构进行刚度优化，设计变量与强度优化相同。计算结果表明，在索中装入作动器，可以达到减小杆件受力，并增大结构刚度的目的，但压杆上是无需装入作动器的。 以作动器刚度、许用变形、容许内力及外荷载为参数进行的分析表明，作动器各参数数值越大，结构的调控能力越强。但对于不同杆件，需选择与其最为匹配的一组参数，才能取得最佳的经济效果。该研究为作动器选择提供一定的理论依据。 张力结构显著的几何非线性特性决定了只有用迭代的方法才能得到精确的结果。本文基于载荷增量法与Newton法结合求解非线性问题的思想，提出了精确的强度优化模型，并编制了智能结构的计算机程序NLSTATS opt。按此模型的计算结果较线性近似方法得到的结果更为精确。 结构在调控过程中，节点坐标的变化可能导致结构几何失稳。本文总结了前人对于张力结构几何稳定性判断的研究成果，并将其应用于程序中，可对每一步迭代过程中结构的几何稳定性进行判断。 最后，对研究内容及主要成果进行了总结，并指出了进一步研究的方向。

目录

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第一章绪论

§1.1引言

§1.2张力结构概述

§1.2.1定义

§1.2.2起源和发展

§1.2.3工程实例

§1.3张力结构的基本理论

§1.3.1张力结构的特点

§1.3.2不同于传统结构的分析

§1.3.3张力结构可行性判别的主要问题

§1.4索杆张力结构走向智能化的发展趋势

§1.4.1智能结构的概念及内涵

§1.4.2智能结构的研究现状

§1.4.3张力结构必然走向智能化

§1.5本文研究的主要工作

参考文献

第二章张力结构几何稳定性分析及预应力模态确定

§2.1索杆张力结构几何稳定性分析

§2.1.1 Maxwell准则

§2.1.2基于平衡矩阵分解的几何稳定性分析

§2.2索杆张力结构初始预应力的确定

§2.2.1自应力模态的确定

§2.2.2初始预应力分布的求解

§2.3索穹顶结构初始预应力的确定

§2.4本章小结

参考文献

第三章张力结构位移限制形状调控强度优化分析

§3.1前言

§3.2优化模型的建立

§3.2.1结构合理的工作状态

§3.2.2作动器与单元综合刚度

§3.2.3节点位移的表达

§3.2.4结构优化模型

§3.3算例分析

§3.3.1算例一

§3.3.2算例二

§3.4作动器参数及外力对调控性能的影响

§3.4.1作动器许用变形对张力结构调控能力的影响

§3.4.2作动器刚度对张力结构调控的影响

§3.4.3作动器许用内力对张力结构调控的影响

§3.4.4外力对张力结构性能调控的影响

§3.5本章小结

参考文献

第四章张力结构形状调控刚度优化分析

§4.1前言

§4.2优化模型的建立

§4.2.1通用模型的构成

§4.2.2控制模型的形成

§4.2.3规划模型的矩阵形式

§4.3算例分析

§4.3.1算例一

§4.3.2算例二

§4.4作动器参数及外力对调控性能的影响

§4.4.1作动器许用变形对张力结构调控能力的影响

§4.4.2作动器刚度对张力结构调控性能的影响

§4.4.3作动器参数不变而外力成比例变化的结构分析

§4.4本章小结

参考文献

第五章智能张力结构位移限制下强度调控精确算法

§5.1前言

§5.2强度控制模型

§5.2.1杆件刚度矩阵的形成

§5.2.2节点位移增量的表达

§5.2.3强度最优控制规划模型

§5.3张力结构强度智能控制计算机分析

§5.3.1程序流程图

§5.3.2算例分析

§5.4本章小结

参考文献

第六章结论与展望

§6.1主要结论

§6.2进一步研究展望

致谢