基于奇异值分解张拉整体结构找形方法

张拉整体结构是由一组不连续的受压单元包含于连续受拉单元组成的稳定自平衡结构,为了寻找自平衡状态下的构型,引入奇异值分解的方法,将寻找张拉整体结构的自平衡构型问题转化为最小奇异值的判定。通过广义节点坐标和构件之间的连接关系建立结构的数学模型;引入力密度的概念,对张拉整体结构进行受力分析,列写包含平衡矩阵的平衡方程;对平衡矩阵进行奇异值分解,利用分解获得的最小奇异值判断平衡方程是否有解,对张拉整体结构是否存在自平衡构型进行初步判定,再依据获得的力密度的均匀性(同组构件力密度大小相等)和正负属性(杆的力密度小于0,索的力密度大于0)对结构自平衡状态进一步判断;通过实例分析对该找形方法的可行性进行了验证,结果表明:该方法可以找到张拉整体结构自平衡构型。本文为寻找自平衡张拉整体结构提供了一种思路。

环形张拉整体结构的研究和应用

张拉整体结构是一种由连续拉索和断续压杆构成的新型结构。有关正圆柱形张拉整体结构和球形张拉整体结构的研究已被广泛开展,但另一种基本的几何拓扑形态——环形张拉整体结构却很少受到关注。提出一种新型环形张拉整体结构,对其拓扑和找形问题进行研究,采用平衡矩阵法求解该结构的自应力模态和机构位移模态。通过在索穹顶结构中引入环形张拉整体圈梁,提出一种新型索穹顶,并对初始预应力分布和结构性能进行了分析。算例结果表明该新型索穹顶是一种刚度较好且完全自支承自平衡的张拉整体结构。此研究丰富了现有张拉整体结构形式及其应用。

张拉整体结构的智能化找形研究进展

近年来,“未来的结构体系”张拉整体结构得到学术界的广泛关注。其中,找形是张拉整体结构设计的关键步骤,即确定结构的平衡状态的过程。随着人工智能逐渐应用到各个领域,张拉整体结构的智能找形方法也应运而生,通过使用人工智能技术改进传统的找形方法,以达到简化找形流程的目的。首先介绍人工智能在建筑领域的应用;其次,阐述使用人工智能技术改进张拉整体结构找形方法的研究意义;然后介绍张拉整体结构几种常用的传统的找形方法及其优缺点,再通过调研大量文献,对现在最新的张拉整体结构智能找形方法,特别是优化算法和神经网络方法进行详细介绍和分析;最后,预测并分析总结该领域未来可能的研究方向及相应的发展趋势。

张拉整体结构找形方法在产品设计中的应用研究

为推动张拉整体结构在产品设计领域的应用和发展,文章主要通过文献研究法探索了张拉整体结构找形方法在产品设计中的应用潜力。首先通过分析现有方法,将其总结分类为基于经验、基于数值分析和形态优化,以及基于机器学习的方法。其次对张拉整体结构找形方法在产品设计中的应用思路,按照功能性、美学性和实际应用三种不同的设计驱动进行归类。最后开展“互”字型张拉整体结构椅的产品找形设计实践,以期为张拉整体结构产品找形提供新的设计思路。

环形张拉整体结构的研究和应用

张拉整体结构是一种由连续拉索和断续压杆构成的新型结构。有关正圆柱形张拉整体结构和球形张拉整体结构的研究已被广泛开展,但另一种基本的几何拓扑形态—环形张拉整体结构却很少受到关注。提出一种新型环形张拉整体结构,对其拓扑和找形问题进行研究,采用平衡矩阵法求解该结构的自应力模态和机构位移模态。通过在索穹顶结构中引入环形张拉整体圈梁,提出一种新型索穹顶,并对初始预应力分布和结构性能进行了分析。算例结果表明该新型索穹顶是一种刚度较好且完全自支承自平衡的张拉整体结构。此研究丰富了现有张拉整体结构形式及其应用。

采用改进鱼群算法的张拉整体结构找形方法

针对传统力密度法求解大规模、不规则张拉整体结构找形效率不高的问题,提出了一种力密度法与改进鱼群算法相结合的找形方法.先基于力密度法建立结构的平衡方程组,然后采用改进的鱼群算法在力密度空间内进行全局搜索,找出一组合适的力密度值使得平衡矩阵的秩满足求解条件,从而找到结构的平衡构形.该算法加入了全局最优人工鱼信息,引入了吞食行为和跳跃行为,并采用了自适应步长,比传统鱼群算法搜索效率更高,不容易陷入局部极值.以扩展八面体张拉整体结构为例,用该方法进行了找形,并和传统鱼群算法的找形结果进行了对比分析.仿真结果表明,该找形方法的找形结果可靠,并且收敛精度和平均最优值较传统鱼群算法均有所提高.

带弹性支撑杆张拉结构整体找形分析的动力松弛法

张拉结构与传统的钢、砼等刚性结构不同,是一种柔性的张力体系,其设计计算过程一般分为初始形状的确定(找形)—荷载分析—裁剪分析.传统的带弹性支撑杆的张拉结构如索网、索膜结构,在找形中往往忽略索网、索膜与弹性支撑杆的相互作用,本文在M ichael R.Barnes找形理论的基础上推导了张拉结构找形分析的动力松弛法的基本公式,同时充分考虑两者的相互作用,应用动力松弛法对这种结构进行整体找形分析,并通过算例验证了所提出方法的可靠性与适用性.

约束优化理论和动力松弛技术在张拉整体结构找形分析中的联合应用

在诸多具有代表性的张拉整体结构找形方法中,一个有效的思路是将其归结为约束优化问题,从而运用非线性规划的方法进行求解。文中首先证明了约束优化问题的最优性条件与张拉整体结构平衡方程的等价性。随后,在优化模型的求解问题上,利用目标函数的梯度向量即为节点不平衡力这一重要关系,在梯度法的基础上引入动力松弛思想,让非平衡形态下的质点系在不平衡力的作用下开始运动,并通过"运动阻尼"使结构收敛至平衡位形。计算实践表明,引入动力松弛技术可确保迭代点在无需步长调整的情况下稳定而迅速地逼近极小点的邻域,改善梯度法在极小点附近收敛缓慢,须逐步减小步长以提高收敛精度的不足。由于目标函数中幂指数的取值对找形的成败影响较大,文中对此进行了重点探讨,建议其合理取值为3或4。在幂指数取定的情况下,通过调整权重系数和目标杆长控制结构位形,从而获取理想的找形结果。对于存在固定节点的索杆体系,还给出边界条件的处理方法,为开发新型空间结构提供有效的工具。

面向几何坐标的张拉整体结构找形算法

提出一种可满足给定几何坐标的张拉整体结构找形方法.从结构平衡方程的2种不同形式出发,借助平衡矩阵奇异值分解与力密度矩阵特征值分解后得到的正交向量,分别构造自应力及几何坐标,并引入节点坐标作为约束条件,给出基于构件自应力与节点坐标非线性迭代的求解技术及其算法流程.结果表明,只需给出结构拓扑连接关系及若干已知节点坐标,找形算法便可用于寻找满足给定几何外形的张拉整体以及新的非规则张拉整体形式.

梁-柱支承的张拉膜结构整体找形分析

用力密度法对梁-柱支承的张拉膜结构进行找形分析.在找形过程中考虑了膜体与梁-柱构件之间的相互作用.文中推导了结构体系的整体找形公式,其中梁-柱结构分别采用了小变形理论和有限变形理论建立模型,并编制了相应的找形分析程序.通过算例对这种带梁-柱支承的膜结构整体找形问题进行了分析和讨论,结果证明了文中方法的可行性.

不规则三杆张拉整体结构的找形

为了获得不规则形态的张拉整体结构,本文提出了一种确定稳定构型的思路,即基于规则张拉整体结构在大部分构件长度不变的条件下,在一定范围内改变其个别构件长度,稳定状态时这些构件的长度最小。通过规则张拉整体结构单元稳定条件分析、非规则三杆张拉整体结构的稳定构型分析、求解思路分析几个方面的研究,获得了具体的构型方法,并通过具体数值求解、仿真分析和搭建实物模型等手段对此方法的正确性进行了验证,证明此方法求得的结构稳态数值的精度较高。为张拉整体结构基于构件变化的找形及机构化分析提供了一种思路。

张拉整体结构模块组合的力密度法找形与分析

首先在用力密度法对张拉整体单元找形的基础上,对模块化组合的张拉整体结构进行找形分析;其次以三杆张拉整体单元及双模块结构为算例,用Matlab工具软件编程绘出结构的形态,同时阐述这种组合结构的形态特性;最后验证了这种找形可以推广到任意N模块,对实际工程应用具有重要意义。

新型环形张拉整体式穹顶结构形态设计与分析

为发挥张拉整体结构和索穹顶结构各自的特点,拟在张拉整体三棱柱单胞基础上,通过单胞的组合及拼装形成环形张拉整体结构,并用其替代穹顶结构底部的刚性环梁支承,形成一种完全自平衡的新型张拉整体式穹顶结构。采用商用软件MATLAB和ANSYS对环形张拉整体结构和张拉整体式穹顶结构进行初始预应力找形及协同找形研究,并在此基础上探究张拉整体式穹顶结构的力学性能。研究结果表明,将索穹顶结构内嵌于通过不同单胞组装而成的环形张拉整体结构,可满足多样化的设计需求;协同找形后索穹顶和与索穹顶相连的内环索的预应力大幅减小;结构整体稳定性满足规范要求且结构具有较好的刚度,但相比于张拉整体环,索穹顶部分的刚度较小,建议实际工程中可适当提高索穹顶部分的安全储备。

张拉整体结构找形的力密度法

力密度法是张拉整体结构的一种重要的找形方法,文中首先对张拉整体结构找形的力密度法进行介绍,依据分析时关注的主要变量对力密度法的找形方式进行了分类,根据上述分类提出了应用力密度法的数值找形过程,找形过程只需要提供很少的信息,构件类型和节点的拓扑关系。力密度矩阵的特征值分解和平衡矩阵的奇异值分解在找形过程用于计算满足矩阵秩亏条件的节点坐标和力密度的迭代计算。最后给出数值算例和比较以证明其有效性和稳健性。

基于二次奇异值分解法的张拉整体结构找形分析

为解决给定张拉整体结构的可行力密度找形问题,本文提出一种基于二次奇异值分解的优化设计方法.该方法需事先根据结构的几何对称性对构件进行合理分组,并在此基础上重组平衡矩阵,通过奇异值分解法求解线性齐次方程组以获得满足要求的可行初始力密度.同时引入了切线刚度矩阵特征值的计算方法来检验张拉整体结构的稳定性.最后,基于空间十二杆张拉整体结构不同分组的计算结果,利用木棒和弹力绳模拟拉压单元制作模型,验证了结构形态的合理性及本文算法的有效性.

张拉整体网架结构初始找形发展历程与展望

张拉整体网架结构是由离散的受压构件和连续的受拉构件组成的特殊结构体系.由于其轻质、网状、智能等特征,张拉整体网架结构一直成为国际研究热点.张拉整体网架结构作为新型大跨度空间结构,其研究正发展成为当今空间结构领域中最前沿的课题.寻找张拉整体网架结构稳定自平衡状态是研究这类结构的关键,是后续静力分析、动力分析和振动控制的基础,同时将影响这种新型结构体系在工程实际中的应用.主要叙述了张拉整体网架结构过去50年来找形的发展历程,总结归纳了各种找形方法的优缺点,并对后续研究做了展望.

基于力密度矩阵和平衡矩阵的张拉整体结构找形方法

提出了一种基于力密度矩阵和平衡矩阵的张拉整体结构找形新方法,结构的几何拓扑关系和单元类型是本找形方法所需的唯一条件.为了找到合适的节点坐标和力密度,将结构体系的力密度矩阵和平衡矩阵分别采用谱分解和奇异值分解进行循环迭代,直至满足对应矩阵最小秩缺失的必要条件.通过几个典型算例证明了利用本方法寻找张拉整体结构自平衡状态的效率和鲁棒性,可为寻找新型、非对称并且复杂的张拉整体结构提供借鉴.

改进的动力松弛法及其在张拉整体结构找形中的应用

针对目前常规动力松弛法存在收敛效率低和收敛不稳定的问题,采用中心差分法对动能极值点附近的运动进行精细化划分,通过节点坐标修正的策略使节点的运动准确地回溯至所定位的动能极值点处,改善常规动力松弛法收敛性能的同时扩大了算法的稳定收敛的区域。最后以六杆张拉整体结构和螺旋塔型张拉整体结构为例,对比了多种常规动力松弛法在此类结构找形问题上的求解效果。结果表明:本文所提出的改进方法相较于常规方法和抛物线拟合法在处理此类结构找形问题时,算法效率上提升了17%~58%,算法稳定收敛区间扩大了25%~41%,验证了该方法在复杂张拉整体结构找形分析过程中的准确性和有效性,同时为张拉整体结构在实际工程的应用进行初始形态找寻提供了理论支撑。

张拉整体结构的稳定性判定及刚度分析

张拉整体结构是一种由连续拉索和断续压杆构成的新型空间结构体系,结构刚度及稳定性主要靠预应力提供。以切线刚度矩阵的正定性为稳定判据,通过分析体系切线刚度矩阵解析表达式的构成,系统研究张拉整体结构的稳定条件。按稳定性由强到弱,给出张拉整体结构的实用分类法则。对于确定形态的张拉整体结构,只需验证几何刚度矩阵及其关于内部机构位移模态缩减形式的正定性即可判断其属于何种稳定等级,且预应力水平较低时,后者的最小特征根与切线刚度矩阵的最小特征根一样可用来度量张拉整体结构的刚度。通过考察系统总势能二阶增量(亦即切线刚度矩阵的二次型)随预应力水平的变化规律,详细阐述各稳定等级对应的刚度特性,为寻找真正适用于功能性建筑的张拉整体结构形式提供理论依据。最后通过对一系列张拉整体单元及一个由多单元组合而成的张拉整体结构进行算例分析验证文中理论的有效性。

张拉整体结构的多平衡态研究

对张拉整体结构的多平衡态现象进行深入研究,首先利用解析方法分别找出平面张拉整体结构、棱柱式张拉整体结构和交叉索式张拉整体结构的多个平衡态;随后研究多个平衡态之间的能量关系,并判定这些平衡态的稳定性。分析结果表明:平面张拉整体结构有可能存在多种内力密度分布形式,且其对应的平衡都是稳定的。棱柱式张拉整体结构拥有的内力密度分布形式的数目为欧拉函数的一半,其弹性应变能随着平衡态阶次的增加而增大。交叉索式张拉整体结构也可以具有不同的内力密度分布,其最后1阶平衡态的能量最小,但未必所有交叉索式张拉整体结构都存在稳定的平衡状态。