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张力结构形状调整优化分析

肖新  
【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。


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