自由曲面索支撑空间网格结构形态优化及其新型节点力学性能研究

This project focuses on key problems of free-form cable-braced grid shells in design and engineering applications, including shape optimization of free-form surfaces and new semi-rigid joints. It aims to provide more reasonably structured, more types and forms of free-form surfaces, and provide more creative space to the architects, promoting the development of glass roofs in our country to newer forms and higher technical requirements. The project is mainly on three aspects:(1) According to its unique grid shape (planar quadrilateral grid), surface morphology (by translation surface method), grid form (steels and crossing cables), and joints form (new semi-rigid joints), establish a optimization method which is suitable for free-form grid shells, and develop free-form surfaces which have uniform meshes, smooth surfaces, beautiful forms and meet the requirements of the designers; (2) Research on new semi-rigid joints. Through model tests and numerical simulations, studying their mechanical properties,giving their details and design procedures, and creating new type of semi-grid joints with own intellectual property;(3) Static and dynamic performances of structures after morphogenesis optimization; model tests of cable-braced grid shell in different surface states during morphogenesis optimization.

本项目针对自由曲面索支撑空间网格结构设计和工程应用中的关键问题-自由曲面形态优化和新型半刚性节点设计-进行研究，目的是提供结构合理、种类更加丰富的自由曲面形式，推动我国玻璃采光顶结构产业向形式更新、技术要求更高的方向发展。研究内容包括三个方面：（1）根据其独特网格形状（平面四边形网格）、曲面形状（表面平移法生成）、网格形式（钢杆+柔性斜索）和节点形式（新型半刚性节点），建立适用于自由曲面索支撑空间网格结构的形态优化方法，创建出满足设计者要求的网格均匀、曲面光滑、形式美观的自由曲面；（2）新型半刚性节点研究，通过模型试验和数值模拟方法掌握其力学性能，确定节点细部构造和设计方法，进而开发具有自主知识产权的新型半刚性节点；（3）形态优化自由曲面结构静动力学性能研究；自由曲面结构形态优化过程中不同曲面状态整体模型试验。

索支撑空间网格结构作为一种造型美观、技术先进的新型单层空间网格结构形式，在欧洲有较多应用，但目前在国内应用还处于空白状态，其涉及到结构形态优化、拓扑优化和网格均匀化，装配式节点设计、装配式单层网格结构整体稳定性等一系列关键问题。为此本研究针对上述关键问题展开研究，主要研究内容和成果如下：1）提出了具有自主知识产权的索支撑空间网格结构改进型装配式节点。在SBP-1型节点基础上，提出了改进型装配式节点，并进行了节点原型静力试验和有限元数值模拟研究。装配式节点平面外转动刚度和承载力约为刚性节点的80%，面内转动刚度和承载力约为刚性节点的15%。2）罕遇地震下拉索对结构破坏模式影响为：拉索不先破坏，钢杆件能够充分发挥作用，利用率较高，极限承载力较高，刚度较大，位移发展充分，结构破坏有一定征兆；若拉索先破坏，钢杆件不能充分发挥作用，利用率低，极限承载力较低，结构破坏较为突然，没有明显征兆。3）采用改进型装配式节点的索支撑空间网格结构的初始刚度和稳定承载力约为刚接结构的80%；矢跨比、网格尺寸及跨度对装配式与刚接索支撑空间网格结构稳定承载力比值影响较小，节点性能对装配式索支撑空间网格结构的稳定性能影响较大。为防止装配式支撑空间网格结构承载力过低，建议装配式节点面外转动刚度和极限弯矩分别不小于刚接节点的20%和30%。4）提出了以OptiStruct求解器中简约梯度法为优化算法，应变能为优化目标，所有网格节点坐标为设计变量，基于HyperWorks软件平台的大变量数目的自由曲面单层空间网格结构的形态优化方法。运用Matlab编程调用ANSYS有限元软件，基于遗传算法对结构中名义应力较低杆件的删除操作，实现了对自由曲面单层网格结构的拓扑优化。5）提出了基于力密度法思想的自由曲面单层空间网格结构网格均匀优化方法。通过力密度确定节点的调整方向，将三维问题转化为一维，采用黄金分割法计算节点每次的调整距离。该方法不改变结构力学性能，适用于任意自由曲面单层网格结构网格均匀化。