索桿張力結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制研究.pdf

1、以拉索和壓桿組合而成的索桿張力結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高效的結(jié)構(gòu)特征，已成為空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域研究的熱點。本文圍繞索桿張力結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)的受力性能分析出發(fā)，對結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段的優(yōu)化方法和結(jié)構(gòu)在使用階段的控制方法進行了深入研究。
　　首先通過平衡矩陣理論對索桿張力結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)體系分類，并確定結(jié)構(gòu)的初始預(yù)應(yīng)力。利用ANSYS非線性有限元分析軟件分別對兩類索桿張力結(jié)構(gòu)單元進行了壓桿屈曲全過程分析，并在計算過程中依次考慮了拉索初始預(yù)應(yīng)力、壓桿初始缺陷和上部桿件

2、剛度對于結(jié)構(gòu)受力性能的影響。對索穹頂結(jié)構(gòu)和弦支穹頂結(jié)構(gòu)兩類典型的索桿張力結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)受力全過程分析，得到結(jié)構(gòu)在全跨荷載下的受力性能和失效模式。
　　以索穹頂結(jié)構(gòu)為研究對象，編制了利用MATLAB和ANSYS聯(lián)合計算的索穹頂結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計的計算程序。通過遺傳算法和非線性有限元分析軟件對索穹頂結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力、桿件截面和形狀參數(shù)進行同時優(yōu)化。該程序可實現(xiàn)考慮以降低結(jié)構(gòu)用鋼量為目標的單目標優(yōu)化設(shè)計和同時考慮結(jié)構(gòu)用鋼量和結(jié)構(gòu)剛度的多目標優(yōu)

3、化設(shè)計過程，指導(dǎo)設(shè)計者在設(shè)計階段選取較優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。
　　基于結(jié)構(gòu)受力和變形的關(guān)系，推導(dǎo)了用于結(jié)構(gòu)控制中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)靈敏度線性控制理論計算公式。接著推導(dǎo)了索桿張力結(jié)構(gòu)在承載階段和主動控制階段的非線性力法計算公式，得到結(jié)構(gòu)形狀和內(nèi)力與主動調(diào)控量之間的增量關(guān)系，并將推導(dǎo)的結(jié)果用于結(jié)構(gòu)控制過程中索桿張力結(jié)構(gòu)節(jié)點位移和桿件內(nèi)力響應(yīng)靈敏度的分析中。分析并比較了張拉整體結(jié)構(gòu)和索穹頂結(jié)構(gòu)中不同類型單元作為主動控制單元對結(jié)構(gòu)形狀和內(nèi)力的控制效率

4、，為結(jié)構(gòu)控制中主動控制單元的選擇提供理論指導(dǎo)。
　　基于非線性力法理論，提出了索桿張力結(jié)構(gòu)的形狀和內(nèi)力控制方法并編制計算程序。建立了結(jié)構(gòu)形狀控制、結(jié)構(gòu)內(nèi)力控制、結(jié)構(gòu)形狀和內(nèi)力同步控制的非線性分析模型。對于主動控制計算過程中方程解的存在性進行分析，提出了滿足結(jié)構(gòu)控制目標的最小作動器個數(shù)的確定方法和布置準則。
　　在理論分析的基礎(chǔ)上，對具有拉索長度可調(diào)單元的肋環(huán)人字型索穹頂結(jié)構(gòu)模型進行試驗研究。分別對模型進行了全跨荷載和半跨荷載

5、下的結(jié)構(gòu)受力性能測試，對不同類型拉索作為主動單元的主動調(diào)控試驗和以控制結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力和節(jié)點位移為目標的主動控制試驗。通過對試驗結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果的對比表明，結(jié)構(gòu)對于各類主動單元的長度變化的響應(yīng)與理論預(yù)測結(jié)果接近，主動控制試驗?zāi)軌蜻_到預(yù)期的控制目標，驗證了理論推導(dǎo)的正確性和主動控制方法在索桿張力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性。
　　本文的研究工作完善和推進了索桿張力結(jié)構(gòu)的受力性能分析、優(yōu)化設(shè)計方法和主動控制方法的發(fā)展，為該類結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用提供