空间网格结构的鲁棒性理论与试验研究

论文摘要

网格结构是空间结构中应用最为广泛的结构形式,具有跨度大、构件多、破坏后果严重的特点,但目前设计时较少考虑结构受到意外干扰时的性能,而近年来人为事故和自然灾害对其破坏性愈加突出,结构倒塌事件时有发生。增强结构的鲁棒性可以降低其对干扰的敏感性,提高结构抵抗不相称破坏的能力。目前,结构鲁棒性缺乏有效的数值表达和可行的设计方法,且研究对象主要为桁架、框架结构,在空间网格结构领域较为少见。因此,对空间网格结构的鲁棒性理论进行系统研究,具有十分重要的理论意义和工程价值。本文从结构鲁棒性定量评价指标、典型空间网格结构的鲁棒性、基于鲁棒性的优化设计方法和模型试验等几个层次展开研究。具体内容如下：借鉴H∞最优的思想,针对线性结构系统,根据定性描述的结构鲁棒性定义,从结构自身的属性出发,建立了H∞结构鲁棒性定量评价指标。通过单自由度体系和桁架结构的算例,阐释了H∞鲁棒性指标的性质、物理意义,以及影响结构鲁棒性的因素,验证了本文提出的评价指标的合理性和有效性。针对非线性结构系统,引入L2性能准则,利用凸集模型表达不确定性干扰,给出考虑弹塑性的结构鲁棒性计算公式,进而分析弹塑性、冗余度以及外部荷载和结构自身的不确定性与鲁棒性的关系。以上两部分研究为基于鲁棒性的结构分析与设计提供了理论基础。采用线性H∞结构鲁棒性评价指标,选取常见的扇形三向网格、肋环斜杆型和肋环型单层球面网壳结构,以及单向斜杆正交正放网格和三向网格的单层圆柱面网壳结构,通过参数分析,研究了几何尺寸、网格形式对单层网壳结构鲁棒性的影响。通过逐步概念移除构件,分析了构件的重要性,进而搜索了影响鲁棒性的关键路径。最后针对某双层网壳结构工程实例,讨论了不同的支承形式对鲁棒性的影响。对地震作用下不同形式的网架结构进行大规模数值计算,分析了其动力失效模式及特征,发现网架结构各失效模式之间存在模糊性。利用模糊C-均值聚类方法将网架动力失效模式归为三类：失稳型局部失效、强度型整体失效和强度型局部失效,得到了各失效模式的典型数字特征,给出了分析地震作用下网格结构鲁棒性的步骤。以H∞结构鲁棒性指标为目标,采用基于多精英选择的遗传算法,从截面层次研究了结构鲁棒性优化设计方法。以平面和三维桁架结构为例,验证了提出的方法,并探索遗传算法中种群个体数的合理取值。针对典型的单层球面和圆柱面网壳结构进行了截面优化,得到了较为合理的截面布置,并通过与承载力和位移指标比较,验证了优化结果。采用SIMP模型描述材料的刚度,以结构鲁棒性为优化目标,从拓扑层次研究了结构鲁棒性优化设计方法。将结构鲁棒性设计转化成连续体拓扑优化问题,通过平面应力模型验证了方法的可行性和合理性。以球面壳和双曲面壳为例,得到了网壳结构的鲁棒构型,为网格结构的拓扑优化提供了有效的手段。分别按照鲁棒设计和常规设计,制作了两个单层球面网壳结构模型,通过静力和冲击试验,制造不同的干扰场景,分析了不同结构设计方案的鲁棒性,验证了H∞鲁棒性指标的合理性。结果表明,通过连续体拓扑优化进行鲁棒设计,能够有效地提高结构鲁棒性。本文系统地研究了空间网格结构的鲁棒性,初步建立了空间网格结构的鲁棒性设计理论和设计原则,为有效防止该类结构的不相称破坏提供理论依据和设计方法。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 结构鲁棒性的概念
• 1.3 结构鲁棒性的评价
• 1.4 基于鲁棒性的结构设计
• 1.5 本文的研究内容
• 2 线性结构鲁棒性的评价方法研究
• 2.1 引言
• ∞鲁棒控制的基本理论'>2.2 H_∞鲁棒控制的基本理论
• ∞论的线性结构鲁棒性评价指标'>2.3 基于H_∞论的线性结构鲁棒性评价指标
• 2.4 影响结构鲁棒性的因素
• 2.5 本章小结
• 3 非线性结构鲁棒性的评价方法研究
• 3.1 引言
• ∞理论的非线性结构鲁棒性评价指标'>3.2 基于H_∞理论的非线性结构鲁棒性评价指标
• 3.3 单输入单输出结构系统的非线性鲁棒性
• 3.4 多输入多输出结构系统的非线性鲁棒性
• 3.5 本章小结
• 4 空间网格结构的鲁棒性分析
• 4.1 引言
• 4.2 典型单层球面网壳结构的鲁棒性分析
• 4.3 典型单层圆柱面网壳结构的鲁棒性分析
• 4.4 双层网壳工程实例分析
• 4.5 本章小结
• 5 空间网格结构的动力失效模式研究
• 5.1 引言
• 5.2 网架结构动力失效机理分析
• 5.3 模糊C-均值理论的思想和方法
• 5.4 网架结构动力失效模式的模糊划分
• 5.5 空间网格结构的失效模式与鲁棒性
• 5.6 本章小结
• 6 基于鲁棒性的单层网壳结构截面优化方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 基于鲁棒性的截面优化方法
• 6.3 基于鲁棒性的单层球面网壳结构截面优化
• 6.4 基于鲁棒性的单层圆柱面网壳结构截面优化
• 6.5 本章小结
• 7 基于连续体拓扑优化的结构鲁棒性设计
• 7.1 引言
• 7.2 基于连续体拓扑优化的结构鲁棒性设计
• 7.3 平面应力模型的鲁棒性拓扑优化
• 7.4 空间网格结构的鲁棒性设计
• 7.5 自由曲面网格结构鲁棒性设计
• 7.6 本章小结
• 8 模型试验研究
• 8.1 引言
• 8.2 试验模型设计
• 8.3 静力超载试验
• 8.4 动力冲击试验
• 8.5 本章小结
• 9 结论与展望
• 9.1 本文主要结论
• 9.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 作者简历