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位移限制下杆长变化张力结构性能优化分析

黄玉香  
【摘要】: 国内外学者对张力结构进行了多方面的优化研究,包括预应力优化、截面优化、形状优化、拓扑优化等,这些优化均是在单个荷载工况下以降低造价为目标,但是张力结构单位面积的用钢量已经很小,因此这些优化研究的实际意义没有想象中那么大。本文在张力结构中嵌入作动器,通过其工作,改变杆件长度从而调整结构形状,以保证结构以最优的姿态承受多种荷载工况,建立相应的优化模型,求得结构达到最优状态所需的作动器的调整量。 第2章对张力结构的理论知识进行了详细的介绍,以确定结构的自应力模态和几何拓扑构成,为后续张力结构荷载态的研究做铺垫。第3章基于载荷增量法推导迭代公式,确定了结构荷载态时杆件内力和节点位移,建立了非线性方程组并进行求解。通过算例,验证程序和公式的正确性,并得出相关结论。 第3、第4章在定义了结构的合理工作状态系数后,考虑作动器与杆件串联时的综合刚度,基于不同的理论和迭代公式,共建立的了三种位移限制下的强度优化分析模型,一是基于有限元理论建立的强度优化模型,二是基于虚功原理建立的强度优化模型,三是基于杆件刚度矩阵建立的强度优化模型。以结构工作状态系数最小为目标,以作动器的主动调整量为设计变量,以结构杆件内力、节点位移和作动器参数为约束条件,构造了非线性结构强度优化线性规划模型并编制了相应的MATLAB求解程序。结合算例,分别对三种建立强度优化模型对应的理论和迭代公式进行分析评价。 第5章以张力结构应变能最小为目标,以作动器的主动调整量为设计变量,以结构杆件内力、节点位移和作动器参数为约束条件,构造了结构形状调整能量优化模型并编制了相应的求解程序。与第4章以强度最优为目标的优化模型对比分析,两种优化模型均能实现优化目标,且满足节点位移限值要求。 最后,对研究内容及主要成果进行了总结,并指出了多目标优化研究、作动器优化配置等进一步研究的方向。


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