[发明专利]一种索网结构的优化找形方法

说明书

本发明涉及一种索网结构的优化找形方法，包括以下步骤：1)构建初始索网结构，并获得初始索网结构中各杆单元的初始长度、初始轴力以及外载荷；2)以索网结构各杆单元长度总和最小为优化目标，构建包含索网结构各节点的总体平衡迭代方程式；3)考虑施加边界条件，根据输入参数和求解目标的不同，采用迭代或直接求解的方式对总体平衡迭代方程式进行求解获得最终的优化索网结构。与现有技术相比，本发明具有满足设计总长要求、灵活设计边界条件、适用性强、无关网格划分方式等优点。

技术领域

本发明涉及空间结构设计领域，尤其是涉及一种索网结构的优化找形方法。

背景技术

空间离散结构是将杆件沿着曲面有规律地布置而组成的结构体系，随着结构跨度的日益增大和结构造型的复杂化，传统的空间结构设计理念和方法难以完全满足其发展需求。荷载主要通过杆件轴力传递的结构遵循“form follow force”的准则，由于没有弯矩产生，结构形状主要由力控制。受拉的空间索网结构和受压的网壳结构都遵循此准则。在实践中通常只知道结构的边界条件，具体形状需要通过找形方法来得到。通过合理配置结构中的杆件，使得构件主要受轴向力作用，可以高效率地使用材料，早期使用悬挂法或者制造模型等物理方法对空间结构进行找形，随着计算机技术的发展，找形研究集中于数值计算方法，最早应用于膜结构屋盖的找形，后来渐渐扩展到索网等空间结构，力密度法、动态松弛法、更新策略法等已经广泛应用于空间结构的找形。

网状结构的特点是存在大量可能平衡的初始配置，很难先验地定义它们的几何形状，由于索网缆线不能承受弯曲，也不能压缩，一般不能施加形状，索网结构的设计涉及确定初始平衡配置，包括结构的形状和轴力，既需要架构(形式和功能)又满足结构要求(强度和稳定性)，索网结构在传递力方面非常高效。由于缆线本身会改变平衡负载变化时的配置，软缆线的形状通过将缆线排列成网状结构来形成一个表面(具有负高斯的表面曲率)。由以往的研究可知，索网结构的形状取决于静力学定律：几何形状是直接反映内力处于平衡状态；任意选择的形状而轴力值几乎不会达到平衡要求。因此，预应力索网结构设计的第一阶段是其形式的定义，即形状查找。形状查找过程中获得的最终形状会同时参考初始结构的形状及其相关轴力。索网结构整体设计过程的最系统方法是通过有限元方法(FEM)。它直接提供一个可行的形状，也提供结构受到的轴力。需要将在设计荷载下确定结构的行为以及将数据传输到模式例程；另一方面，基于FEM或其他形式的结构分析结果的过程，通常在非线性分析中，是需要一个规范的的初始几何形状，步数和边界条件。另外现有的力密度法只能选择固定节点，不能选择性控制单个节点的坐标。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种索网结构的优化找形方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种索网结构的优化找形方法，包括以下步骤：

1)构建初始索网结构，并获得初始索网结构中各杆单元的初始长度、初始轴力以及外载荷；

2)以索网结构各杆单元长度总和最小为优化目标，构建包含索网结构各节点的总体平衡迭代方程式；

3)考虑施加边界条件，根据输入参数和求解目标的不同，采用迭代或直接求解的方式对总体平衡迭代方程式进行求解获得最终的优化索网结构。

所述的步骤2)中，包含索网结构各节点的总体平衡迭代方程式具体为：