张拉整体结构的形态理论与控制方法研究

【摘要】： 本文在前人研究工作的基础上,综合运用能量分析、随机搜索、有限元法、非线性力法、优化控制等理论与数值方法,针对当前张拉整体结构形态研究中存在的共性科学问题及关键技术挑战展开深入研究和探讨。 将张拉整体结构的所有找形问题统一划分为“找力”与“找形”两大类,建立了相应的找形优化数学模型,提出了基于随机搜索算法的张拉整体结构找形方法,为解决自由形态张拉整体结构的找形与设计问题提供了一条有效的途径。同时,利用上述找形方法发现了同一张拉整体结构可以在完全不同的几何构形下保持稳定自平衡状态的多稳态现象,并针对六杆钻石型张拉整体结构和二十面体Z字型张拉整体结构,研究了不同稳定构形之间的能量关系与转化条件,为张拉整体结构在作动器、力学传感器等领域的应用提供了理论基础。 理论推导了简单张拉整体结构压杆屈曲前后的结构响应,提出了考虑压杆屈曲的复杂张拉整体结构数值分析方法,揭示了张拉整体结构在压杆屈曲前的非线性应力强化现象和压杆屈曲时的应力软化现象,解释了细胞肌动蛋白网状结构应力强化与软化现象的力学本质。实现了张拉整体结构的粘弹性动力分析,提出了一个基于多模块张拉整体结构的细胞张力丝力学模型,利用该模型成功预测了细胞张力丝的一系列粘弹性反应,将张拉整体结构的研究和应用从传统的建筑结构领域扩展到更广阔的生物力学领域。 提出了一种基于力法和模拟退火算法的张拉整体结构单目标优化控制方法,解决了张拉整体结构的非线性优化控制问题。同时,针对张拉整体结构形态控制精度与控制消耗之间的相互制约问题,提出了一种基于Pareto遗传算法的张拉整体结构形态多目标优化控制方法,该算法得到的优化结果能够完整描述控制精度与控制消耗之间的相关关系,有助于设计者根据实际需要权衡两者之间的制约关系,为作动器及控制策略的选择提供指导与参考。 推导了采用压电作动器的张拉整体主动控制结构的机电耦合作动方程,实现了基于线性二次型和瞬时最优控制算法的张拉整体结构线性与非线性动态优化控制,比较了两种算法在张拉整体结构动态控制中的适用性和控制效率,考察了作动器数量和作动器布置位置对控制效果和效率的影响,为张拉整体结构动态控制系统的设计与工程应用提供理论指导和技术保障。 本文的研究工作完善和推进了张拉整体结构形态学的发展,促进了张拉整体结构在交叉领域中的应用,为张拉整体结构以及其他张力结构的进一步研究提供了理论基础和技术支持,其中的一些研究成果对当前的工程设计及施工控制具有指导意义。