空間網(wǎng)格結構的魯棒性理論與試驗研究.pdf

1、網(wǎng)格結構是空間結構中應用最為廣泛的結構形式，具有跨度大、構件多、破壞后果嚴重的特點，但目前設計時較少考慮結構受到意外干擾時的性能，而近年來人為事故和自然災害對其破壞性愈加突出，結構倒塌事件時有發(fā)生。增強結構的魯棒性可以降低其對干擾的敏感性，提高結構抵抗不相稱破壞的能力。目前，結構魯棒性缺乏有效的數(shù)值表達和可行的設計方法，且研究對象主要為桁架、框架結構，在空間網(wǎng)格結構領域較為少見。因此，對空間網(wǎng)格結構的魯棒性理論進行系統(tǒng)研究，具有十分重要

2、的理論意義和工程價值。
　　本文從結構魯棒性定量評價指標、典型空間網(wǎng)格結構的魯棒性、基于魯棒性的優(yōu)化設計方法和模型試驗等幾個層次展開研究。具體內(nèi)容如下:
　　借鑒H∞最優(yōu)的思想，針對線性結構系統(tǒng)，根據(jù)定性描述的結構魯棒性定義，從結構自身的屬性出發(fā)，建立了H∞結構魯棒性定量評價指標。通過單自由度體系和桁架結構的算例，闡釋了H∞魯棒性指標的性質(zhì)、物理意義，以及影響結構魯棒性的因素，驗證了本文提出的評價指標的合理性和有效性。

3、>　　針對非線性結構系統(tǒng)，引入L2性能準則，利用凸集模型表達不確定性干擾，給出考慮彈塑性的結構魯棒性計算公式，進而分析彈塑性、冗余度以及外部荷載和結構自身的不確定性與魯棒性的關系。以上兩部分研究為基于魯棒性的結構分析與設計提供了理論基礎。
　　采用線性H∞結構魯棒性評價指標，選取常見的扇形三向網(wǎng)格、肋環(huán)斜桿型和肋環(huán)型單層球面網(wǎng)殼結構，以及單向斜桿正交正放網(wǎng)格和三向網(wǎng)格的單層圓柱面網(wǎng)殼結構，通過參數(shù)分析，研究了幾何尺寸、網(wǎng)格形式對單

4、層網(wǎng)殼結構魯棒性的影響。通過逐步概念移除構件，分析了構件的重要性，進而搜索了影響魯棒性的關鍵路徑。最后針對某雙層網(wǎng)殼結構工程實例，討論了不同的支承形式對魯棒性的影響。
　　對地震作用下不同形式的網(wǎng)架結構進行大規(guī)模數(shù)值計算，分析了其動力失效模式及特征，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架結構各失效模式之間存在模糊性。利用模糊C-均值聚類方法將網(wǎng)架動力失效模式歸為三類:失穩(wěn)型局部失效、強度型整體失效和強度型局部失效，得到了各失效模式的典型數(shù)字特征，給出了分析地震

5、作用下網(wǎng)格結構魯棒性的步驟。
　　以H∞結構魯棒性指標為目標，采用基于多精英選擇的遺傳算法，從截面層次研究了結構魯棒性優(yōu)化設計方法。以平面和三維桁架結構為例，驗證了提出的方法，并探索遺傳算法中種群個體數(shù)的合理取值。針對典型的單層球面和圓柱面網(wǎng)殼結構進行了截面優(yōu)化，得到了較為合理的截面布置，并通過與承載力和位移指標比較，驗證了優(yōu)化結果。
　　采用SIMP模型描述材料的剛度，以結構魯棒性為優(yōu)化目標，從拓撲層次研究了結構魯棒性優(yōu)化

6、設計方法。將結構魯棒性設計轉化成連續(xù)體拓撲優(yōu)化問題，通過平面應力模型驗證了方法的可行性和合理性。以球面殼和雙曲面殼為例，得到了網(wǎng)殼結構的魯棒構型，為網(wǎng)格結構的拓撲優(yōu)化提供了有效的手段。
　　分別按照魯棒設計和常規(guī)設計，制作了兩個單層球面網(wǎng)殼結構模型，通過靜力和沖擊試驗，制造不同的干擾場景，分析了不同結構設計方案的魯棒性，驗證了H∞魯棒性指標的合理性。結果表明，通過連續(xù)體拓撲優(yōu)化進行魯棒設計，能夠有效地提高結構魯棒性。
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