基于鲁棒构型的自由曲面网壳结构形状、拓扑、网格一体化设计理论研究

In recent years, the free-form reticulated shell structures have been a great attraction to urban construction decision-makers and architects with their strong visual impact. However, due to the lack of solid theoretical foundation and technical support, poor shape, topology and mesh often arise in the design process of such structures, resulting in huge wasting of material and even total collapse. Firstly, this research project will study the surface creation method based on irregular discrete design information and establish the robustness evaluation system of free-form reticulated shells based on H∞ control theory; by combining shape control variables with topology optimization variables, an integrated shape and topology optimization of free-form shell structures is studied using the improved Big Bang algorithm. Secondly, with defining topology lines and geometrically featured lines as guiding lines, an automated mesh generation technology using advancing front method will be investigated. Surface meshing is achieved through the technique of mapping from plane mesh, which is controlled by custom element parameters. Moreover, Laplacian smoothing and local optimization techniques are sequentially used for efficient mesh uniformity. Finally, the integrated design of free-form reticulated shell structures is realized through multi-module program using integration technology. In conclusion, this research project is expected to lay a solid theoretical foundation for improving the robustness, realizing the form and force coordination and conducting high efficient mesh generation of the free-form reticulated shell structures.

近年来，自由曲面网壳结构以其强烈的视觉冲击力，得到城市建设决策者和建筑师的青睐，然而由于缺乏坚实的理论基础和技术支撑，这类结构的设计往往出现不良的形状、拓扑和网格，造成材料的巨大浪费，甚至发生倒塌。本课题首先进行不规则离散设计信息的曲面创建研究，以H∞控制理论为基础，建立自由曲面网壳结构的鲁棒性评价体系；综合形状控制变量和拓扑优化变量，采用改进的大爆炸算法进行自由曲面形状和拓扑联合优化研究。其次，以拓扑线、几何特征线等为引导线，研究推进波前法自动网格划分技术，以自定义单元参数控制平面网格生成，通过映射技术实现曲面网格的划分。再次，联合Laplacian光顺技术和局部优化技术，对网格进行高效的均匀化处理。最后，运用集成技术，调用多模块程序，实现自由曲面网壳结构设计的一体化。通过本课题的研究，为提高自由曲面网壳结构的鲁棒性，实现结构力与形的协调一致及高效的网格划分，打下坚实的理论基础。

近年来，自由曲面网壳结构以其强烈的视觉冲击力，得到城市建设决策者和建筑师的青睐，然而由于缺乏坚实的理论基础和技术支撑，这类结构的设计往往出现不良的形状、拓扑和网格，造成材料的巨大浪费，甚至发生倒塌。本课题首先进行不规则离散设计信息的曲面创建研究，以H∞控制理论为基础，建立自由曲面网壳结构的鲁棒性评价体系，综合形状控制变量和拓扑优化变量，采用改进的大爆炸算法进行自由曲面形状和拓扑联合优化研究。其次，以拓扑线、几何特征线等为引导线，研究推进波前法自动网格划分技术，以自定义单元参数控制平面网格生成，通过映射技术实现曲面网格的划分，针对有些形状不规则，同时考虑到平面易划分网格；研究了自由曲面的分块及曲面展开网格划分；基于曲面展开和引导线法，实现了完整自由曲面的网格划分；基于曲面展开和改进引导线法，实现了有内边界自由曲面的网格划分，针对裁剪自由曲面的网格划分；采用曲面展开和修正的引导线法进行网格划分。再次，联合Laplacian光顺技术和局部优化技术，对网格进行高效的均匀化处理。接着，运用集成技术，调用多模块程序，实现自由曲面网壳结构设计的一体化。最后，利用有限元模型，对不同受力状态下的盖板节点进行了力学性能参数化分析，对数值分析的结果进行总结分析，考察盖板节点在不同受力状态下的破坏模式，各部件受力情况，内力的发展规律，给出以螺栓数量、螺栓直径及布置形式、盖板厚度等为参数，在轴力、弯矩及轴力和弯矩组合作用下的承载力公式。同时，本课题对上述理论研究，进行了四个模型试验和一个实体节点试验进行了验证。通过本课题的研究，为提高自由曲面网壳结构的鲁棒性，实现结构力与形的协调一致及高效的网格划分，打下坚实的理论基础。