张拉膜结构形态优化方法与优化形态分析

Shape Optimization Method of Tensile Membrane Structures and Analysis of Optimal Shape

作者: 专业:结构工程 导师:武岳 年度:2007 学位:硕士  院校: 哈尔滨工业大学

Keywords

        膜结构是一种以织物膜材和索作为主要受力构件的新型张力结构形式。由于膜材和索本身不具有抗弯刚度,因此必须依靠施加预张力来维持结构形状、抵抗外荷载的作用,这就引出膜结构“形态”的概念。“形”指结构的形状,“态”则指结构处于某一形状时的应力分布状态,对于膜结构在约束条件及边界条件一定的情况下,这两者是一一对应的,共称为“形态”。形态的选择不仅关系到膜结构的美观和实用,更直接影响到结构的力学性能和安全。但目前在膜结构的设计中,往往只是根据建筑师的造型建议对形态进行大致确定,而对于该方案是否较优的问题关注较少。虽然结构设计人员在设计中也会进行一些方案比选,但该过程往往依赖于设计者的经验,缺乏明确的概念指导。如果能够结合膜结构的力学特点,对其形态进行优化分析,解答“什么样的膜结构形态是较优的”这一问题,不仅可以为结构的概念设计提供依据,而且可以为建筑造型提供参考。本文首先在大量文献总结的基础上,系统论述了膜结构形态优化的概念,建立了以刚度最大、应力分布最均匀和支座反力最小为优化目标,以遗传算法为优化算法的膜结构多目标形态优化方法。并且对膜结构形态优化中的一些关键理论问题进行了探讨,包括:比较用于描述刚度的三种物理量——应变能、最大位移和平均位移在概念上及优化结果上的区别;通过引入统一目标函数法将多目标优化问题转化为单目标问题等。对基于遗传算法的膜结构形态优化分析程序进行改进,提高了程序运行效率和解的收敛速度。在保证得到最优解可靠性的前提下,经反复试算比较,确定了一组较高效率的优化算法运行参数。应用上述程序,对两种常见的膜结构(伞形膜结构和脊谷式膜结构)进行了大量的优化计算,考虑了不同荷载作用形式(雪荷载和风荷载)、不同结构跨度和不同膜预张力的影响;在此基础上总结出最优结构参数的变化规律,给出了考虑雪荷载与风荷载的组合作用时的伞形膜结构和脊谷式膜结构最优设计参数取值范围。这些结果可为进一步指导膜结构的概念设计提供参考。
    
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