自由曲面空间结构的形态创构与力学性能研究

自由曲面是现代空间结构发展的方向之一,而如何在创造新颖建筑造型的同时确保结构受力的合理性,则是现代工程技术领域的一个难题。以结构形态学理论和数值分析技术为基础的形态创构思想的提出为解决这一难题提供了有效的途径。研究表明,采用形态创构方法不仅可以实现结构受力的合理性,而且可以创造出意想不到的优美建筑形体。本研究拟在以往工作的基础上,针对空间结构的形态特点，开展深入细致的研究,力争提出一套完整、实用的自由曲面空间结构形态创构理论与方法。具体研究内容包括：自由曲面空间结构的宏观几何形态创构和构件拓扑形态创构。此外，在以上两部分工作的基础上，还拟对自由曲面空间结构的力学特性和失效机理进行数值模拟和实验研究，为进一步确定该类结构的可靠度指标奠定基础。希望通过本项目研究，提升我国在结构形态学领域的整体研究水平，使我国空间结构向更加健康、更富于活力的方向发展。

基于NURBS曲面技术，提出了一套自由曲面结构形态创构系统理论和方法。主要内容包括：1. 建立以控制点为基和以权重因子为基的广义坐标系下的结构应变能敏感度确定方法。这为自由曲面空间结构形态创构提供理论基础; 2. 基于NURBS曲面拟合技术的形态创构方法。设定了三种形状控制变量：控制点、权因子以及曲面上的少量已知点，比较了这三种控制变量调整策略的特点和适用范围。提出了基于曲面形状多参数调整策略的形态创建方法。研究表明，本方法可用于不同类型建筑要求的自由曲面的形态优化。3.基于NURBS曲线变换技术的自由曲面结构的形态创构方法。可根据建筑需要，利用应变能敏感度的性质单独或同时调整准线与母线，产生的多样的受力性能合理的自由曲面形状，可为建筑方案的确定提供广泛的选择空间。采用FORTRAN编制成自由曲面空间结构的几何创建与优化程序，通过算例验证了方法的可靠性。.由于自由曲面结构形式多样，力学性能复杂多变，为解决这一困难，力学性能研究中提出了2种典型的曲面结构形式：全凸、凹凸模型。对结构进化过程中应变能、应力分布、静力稳定性等力学性能进行了理论研究，同时选取具有凹凸型特征的自由曲面结构进行试验。理论研究结果显示，该方法在使自由曲面结构应变能降低的同时使得结构的位移变小，应力分布趋于均匀，弯曲应力大大降低，静力稳定性提高，对初始缺陷不敏感，极限承载力高且承载力对荷载不对称作用不敏感等特点。通过试验验证了上述力学特性，并考察了自由曲面空间结构破坏形式和裂缝开展的规律。此外，在进行自由曲面结构的拓扑形态创构之后，采用离散化方法对某些传统空间曲面壳体及部分NURBS方法创建的自由曲面连续壳体进行离散化优化，算例表明方法有效。 .该项目的完成，将对建筑与结构设计提供一种新的设计思路和工具，推动建筑与结构设计由经验型向科学型的理论设计方法转变。创构出的自由合理的结构形式的应用，将会改善目前单一的建筑景观。方法具有重要的理论与应用价值。.项目已发表被录用SCI期刊文章1篇，EI期刊及会议论文5篇，核心期刊文章1篇，国际会议9篇，国内会议7篇，已经投稿在审EI文章1篇，待撰写的与试验有关SCI和EI检索论文各一篇。项目培养已毕业博士1名硕士4名，在读博士2名硕士3名。参加国内和国际会议，充分了解国内外的研究现状并宣传结构形态创构方法的价值，与同行进行了深入的学术交流。