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单层球面网壳的选型优化设计

刘宗发  
【摘要】:网壳结构是一类有活力的、适应性很强的、方兴未艾的空间结构型式,其应用前景非常广阔。目前,单层网壳结构已经被广泛应用于大跨度建筑结构中。而单层网壳的结构形式多种多样,传统的设计方法使设计工作量繁重,同时受时间和费用的限制难以进行多方案比较,这样往往导致最终的设计方案并非是最优设计方案。虽然国内有些结构设计软件有结构优化设计模块,但大多都采用满应力优化技术,只能有效应用于约束条件较少和简单的结构。对像单层网壳这样的结构,其效果并不好。单层网壳结构的每根杆件的有限元力学计算模型为空间梁单元,其承载力不仅取决于杆件的强度,而且还取决于网壳结构的整体稳定和局部稳定。在单层网壳结构的设计过程中必须考虑其强度、刚度、稳定以及几何尺寸等约束条件。同时,单层网壳的每根杆件还要符合现有的规格和型号,即单层网壳结构的优化设计属于离散变量结构优化设计问题。 近年来发展起来的遗传算法是基于生物进化论中自然遗传机制的优化算法。主要包括再生、交叉和变异等过程。遗传算法在搜索时使用的是将变量编码形成的二进制串值,故此算法既可适用于连续变量也可应用于离散变量,甚至非数值变量的优化设计。它的寻优搜索是由目标函数值引起的,不使用其它辅助信息,也不要求导数信息,因而对目标函数、设计变量及可行域无特殊要求,具有广泛的适用性,可以处理各类优化问题,尤其适用于传统的搜索方法解决不了的复杂和非线性问题。它具有较强的全面优化性能,能收敛至全局最优点。 本文采用改进的自适应遗传算法来解决单层球面网壳结构杆件截面优化问题。并根据本文介绍的算法,采用VC++语言编写了相应的自适应遗传算法和有限元计算程序,可以实现单层球面网壳结构的自动优化设计。 理论和实践都表明,优化设计方法能收到很好的效果。但是由于各方面的原因,这种应用还远未达到与这门学科当前发展水平相适应的程度。原因之一就是怕这种设计会过度降低结构的安全度。为此,通过对按照现行相关规范优化设计的单层球面网壳和按照现行相关规范设计但未经优化的单层球面网壳用ANSYS软件进行考虑几何非线性的屈曲分析,确定其屈曲荷载与设计荷载之比,以比较它们的受力和安全性能,从而验证优化设计的可靠性和各类型网壳的技术经济性能的优劣。 本文通过单层球面网壳的优化设计和屈曲分析,取得了以下几方面的研究结论: ①根据自适应遗传算法的实现技术和有限元结构分析理论编制的基于自适应


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