張拉整體結(jié)構(gòu)的形態(tài)理論與控制方法研究.pdf

1、本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，綜合運用能量分析、隨機搜索、有限元法、非線性力法、優(yōu)化控制等理論與數(shù)值方法，針對當(dāng)前張拉整體結(jié)構(gòu)形態(tài)研究中存在的共性科學(xué)問題及關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)展開深入研究和探討。 將張拉整體結(jié)構(gòu)的所有找形問題統(tǒng)一劃分為“找力”與“找形”兩大類，建立了相應(yīng)的找形優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，提出了基于隨機搜索算法的張拉整體結(jié)構(gòu)找形方法，為解決自由形態(tài)張拉整體結(jié)構(gòu)的找形與設(shè)計問題提供了一條有效的途徑。同時，利用上述找形方法發(fā)現(xiàn)了同一張拉整體

2、結(jié)構(gòu)可以在完全不同的幾何構(gòu)形下保持穩(wěn)定自平衡狀態(tài)的多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，并針對六桿鉆石型張拉整體結(jié)構(gòu)和二十面體Z字型張拉整體結(jié)構(gòu)，研究了不同穩(wěn)定構(gòu)形之間的能量關(guān)系與轉(zhuǎn)化條件，為張拉整體結(jié)構(gòu)在作動器、力學(xué)傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。 理論推導(dǎo)了簡單張拉整體結(jié)構(gòu)壓桿屈曲前后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，提出了考慮壓桿屈曲的復(fù)雜張拉整體結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法，揭示了張拉整體結(jié)構(gòu)在壓桿屈曲前的非線性應(yīng)力強化現(xiàn)象和壓桿屈曲時的應(yīng)力軟化現(xiàn)象，解釋了細胞肌動蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

3、應(yīng)力強化與軟化現(xiàn)象的力學(xué)本質(zhì)。實現(xiàn)了張拉整體結(jié)構(gòu)的粘彈性動力分析，提出了一個基于多模塊張拉整體結(jié)構(gòu)的細胞張力絲力學(xué)模型，利用該模型成功預(yù)測了細胞張力絲的一系列粘彈性反應(yīng)，將張拉整體結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用從傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域擴展到更廣闊的生物力學(xué)領(lǐng)域。 提出了一種基于力法和模擬退火算法的張拉整體結(jié)構(gòu)單目標優(yōu)化控制方法，解決了張拉整體結(jié)構(gòu)的非線性優(yōu)化控制問題。同時，針對張拉整體結(jié)構(gòu)形態(tài)控制精度與控制消耗之間的相互制約問題，提出了一種基于P

4、areto遺傳算法的張拉整體結(jié)構(gòu)形態(tài)多目標優(yōu)化控制方法，該算法得到的優(yōu)化結(jié)果能夠完整描述控制精度與控制消耗之間的相關(guān)關(guān)系，有助于設(shè)計者根據(jù)實際需要權(quán)衡兩者之間的制約關(guān)系，為作動器及控制策略的選擇提供指導(dǎo)與參考。 推導(dǎo)了采用壓電作動器的張拉整體主動控制結(jié)構(gòu)的機電耦合作動方程，實現(xiàn)了基于線性二次型和瞬時最優(yōu)控制算法的張拉整體結(jié)構(gòu)線性與非線性動態(tài)優(yōu)化控制，比較了兩種算法在張拉整體結(jié)構(gòu)動態(tài)控制中的適用性和控制效率，考察了作動器數(shù)量和作動