考虑不确定性的自由曲面结构形态创建理论与方法研究

The applications of free-form space structures pose new challenge on traditional design methods of structures: how to make a compromise between mechanical rationality and achitectrual varity. This research issue, which is also named morphogenesis, has become a research focus. However, the reserach on morphogenesis of free-form space structures still stay in the primary stage and restricted to deterministic analysis, which results in a lack of rationality and safety of structures under uncertainties in real engineering. In order to solve this problem, this project will carry out systemic research on morphogenesis of free-form space structures under consideration of uncertainties, using both numerical and experimental methods. Main research contents are: (1) reveal the mechanical characteristics and failure modes, by which a proper index will be proposed to evaluate performance and a discriminant criterion of failure modes will be give; (2) clarify the influence mechanism of uncertainty factors on performance of free-form space structures and rank the influence of uncertainty factors; (3) put forward a uncertainty-based computional morphogenesis method for free-form space structures, the novelty of which is the simultaneous consideration to structrual rationality, robutness and reliability. Via the above research, the morphogenesis theory will be improved with innovation. This project is of both scientific and practical value for development of free-form space structures.

自由曲面结构的兴起对传统的建筑结构设计方法提出了新的挑战：如何实现曲面多样性与受力合理性的有机结合。这一问题，也称之为形态创建问题，目前尚处于研究起步阶段，且仍停留于简单的确定性分析，无法保证在实际多种不确定性因素作用下结构的合理性和安全性。为此，本项目拟采用数值分析和试验相结合的研究方法，对自由曲面结构基于不确定性的形态创建理论和方法进行系统的研究。主要内容包括：(1)揭示自由曲面结构的形态特点和失效模式，提出结构合理性的评价指标和失效模式判别准则；(2)阐明不确定性因素对自由曲面结构形态的影响机理，定量评估各不确定性因素的贡献率；(3)提出考虑不确定性的自由曲面形态创建方法，从而同时保证结构形态的合理性、鲁棒性和可靠性。本项目的研究成果将丰富并创新形态创建理论，对自由曲面结构的应用和发展具有重要的科学意义和实用价值。

自由曲面结构的兴起对传统的建筑结构设计方法提出了新的挑战，即如何实现曲面多样性与受力合理性的有机结合。这一问题，也称之为形态创建问题。为了保证自由曲面结构在实际多种不确定性因素作用下具有最大化的合理性和安全性，本项目采用数值分析和试验相结合的研究方法，对自由曲面结构基于不确定性的形态创建理论和方法进行了系统的研究。主要研究内容和成果如下：（1）首先提出了一种可以考虑约束的自由曲面形态创建方法并编制了Fortran程序。采用该方法对几种典型的自由曲面进行了系统的形态创建分析，获得了不同NURBS曲面次数、不同控制点设置以及不同边界条件下的自由曲面形态特点，阐明了在形态创建过程中，结构稳定性、动力特性随曲面几何形状的变化规律。（2）以几种典型的自由曲面结构为研究对象，研究了曲面几何缺陷、材性偏差等不确定性因素对自由曲面稳定性、动力特性的影响规律和传递机理。采用敏感度分析定量评估了各不确定性因素的影响大小。该项研究为形态创建中考虑不确定性因素提供了理论依据。（3）提出了一种考虑不确定性的自由曲面结构形态创建方法并编制了Fortran程序。该方法基于最不利工况的优化策略，并将Kriging代理模型法与遗传算法相结合，大幅度的降低了计算耗时，使得方法兼具准确性和实用性。本项目的研究成果丰富并创新了形态创建理论，对自由曲面结构的应用和发展具有科学意义和实用价值。