摘要：为避免考虑瞬态动力性能时拓扑优化的高计算成本,满足工程快速设计的需求,获得主要静动荷载作用下的合理结构形态,本文提出了一种低计算成本的兼顾静动荷载的结构拓扑优化方法。施加的动荷载是地震等效荷载,用振型分解法和抗震规范中的反应谱曲线确定;通过结构形态、动力特性和地震等效静载的相互反馈和作用实现了考虑结构动力特性的拓扑优化;此外,还提出方法的自动进化策略。算例表明,方法可有效实现兼顾静动性能的拓扑优化。

摘要：树状结构作为一种外形美观的支承结构,可与自由曲面网壳共同应用于大型公共建筑。采用动力松弛法确定树状支承结构与自由曲面网壳的合理形状时,在所得到的树状结构中常会出现低效构件。为此,提出了基于动力松弛的树状结构单元集群找形方法,该方法通过单元集群的方式,使模型中处于同一集群内的单元受力状态相同,这可以有效地避免树状结构与自由曲面网壳联合找形所得结构中出现低效构件。算例分析表明:通过设置单元集群,可以使找形最终所得到的结构中处于同一集群内的构件轴力分布均匀,从而保证各分支杆件在传力过程中均能起到积极作用;不同的单元集群方案对应着不同的找形结果,因此,单元集群也可作为调整结构形状的重要手段,在保证结构受力性能良好的基础上为结构设计提供多种方案。

摘要：在建筑方案设计中,采用结构计算的方法来帮助建筑师确定建筑的形态具有工程意义。模仿自然界的进化现象,本文提出了一种结构形态的创构方法。该方法利用有限元法,计算结构相关力学特性(如von Mises应力分布),通过进行等值线(面)分析来评价结构承受荷载的效率,利用对曲线(面)进行“保留、淘汰、补充”的操作使结构体逐步进化并演变成合理结构。文中对该方法在两个实际工程设计中的应用进行了详细分析,并从提高进化效率的角度讨论了初始形状的合理选择。该方法可以对不同设计变量(比如约束条件,空间条件)进行设定从而得出不同建筑形态,给设计人员提供多种可参考的合理方案。利用此方法所得到的结构形态通常可以抑制弯矩产生,保证应力分布均匀且以轴力效应为主。最后讨论了该方法的有效性和实用性。

摘要：自由曲面结构以其卓越的建筑表现力成为当今空间结构发展的趋势之一,并在越来越多的实际工程中得到应用。与传统的空间结构相比,自由曲面空间结构设计的难点在于如何处理好新颖建筑造型与结构合理受力性能之间的关系。近年来,结构形态学的发展,特别是结构形态创构理论的提出,为解决自由曲面结构的形态设计问题提供了有效途径。借鉴结构形态创构的思想,将非均匀有理B样条(NURBS)曲面造型技术与寻求结构应变能最小的梯度算法相结合,提出一种适合于NURBS自由曲面结构特点的形态创构方法——NURBS-GM法。该方法的特点是,通过调整NURBS曲面的控制点坐标和权因子来获得整体应变能最小的曲面形状,从而改进了以往以直角坐标为调整变量的结构形态创构方法的计算效率。最后,通过若干算例证明本文方法的有效性。

摘要：曲面结构(如壳体)的受力性能主要取决于结构的曲面形状。在实际工程中,常规的简单曲面一般较难有效满足结构的受力合理性。利用曲面高度参数与结构应变能之间的关系,提出了一种自由曲面创构方法来保证结构达到“薄”而“刚”的统一。该方法基于有限元法,通过计算应变能对曲面高度的微分,并根据应变能变化的敏感程度对曲面高度进行调整,最终得到一个结构应变能最小的合理结构形态。利用该方法,可以通过调整设计参数(约束条件,空间条件)得到多种合理曲面形态,供设计人员参考。同时,也可以对建筑意图所设定的初始形状进行修改,求得近似合理的结构几何形状。工程设计实例表明,该方法所得到的曲面结构基本以薄膜应力为主,而且能保证足够的刚度。

摘要：针对杆系结构,利用单元、节点坐标参数与结构应变能的关系,提出能够兼顾拓扑与形状的杆系结构形态创构方法。该方法基于有限元平衡方程,分别计算节点自由移动、约束移动、单元增加和单元消除等四种应变能敏感度,并利用这些敏感度与应变能变化关系生成或修正结构的拓扑形状,调整节点位置,最终得到应变能最小的合理结构形态。支座条件、空间条件等设计参数对最终结构形态的影响较大,利用该方法的此特点,可以调整设计参数得到多种合理的结构几何形状,在方案设计阶段可供设计人员参考。算例表明,该方法所得到的结构以轴力的形式传递荷载,而且能够保证刚度要求。

摘要：在形态创构方法中,较多的是建立在反映目标函数与设计变量关系的敏感度计算基础上。然而,利用解析法确定敏感度不仅需要复杂的数学推导,而且对目标函数的解析性要求较高,当形态从弹性发展到弹塑性时,难度进一步增加。首先,本文利用Taylor级数展开式推导出目标函数敏感度的中心差分格式,并分析讨论差分格式的精度与收敛性以及采用差分格式敏感度时的迭代步长确定方法。其次,以曲面结构高度参数坐标为设计变量、以结构应变能作为目标函数,建立了基于有限元差分法的形态创构方法。同时通过以往的工程实例作为算例,考察了方法的特性与力学性能变化特征。最后,利用ANSYS有限元软件对所得到的结构进行了应力分布特性以及结构稳定性与初始缺陷对极限承载力影响的分析,验证了方法的可靠性。该方法可以扩展到弹塑性问题,而且也可以克服以往敏感度分析中对目标函数解析性的苛刻要求。

摘要：对建筑结构设计的多功能要求,以平面问题为研究对象,对改进进化论方法进行了功能上的改进,增强了方法对复杂空间条件的适应性,提高了计算效率和所生成结构体的质量。针对建筑对空间的限制,将方法的允许空间拓展为自由边界允许空间,并引进临时允许空间的概念;针对结构功能需求,研究了能够适应支座改变、荷载组合等多工况情况的合理结构形态创构方法;考虑到材料的受力特性,研究了相应(如指定构件纯受压或纯受拉)的结构拓扑形态优化方法。文中还通过算例分析了方法的特点,探讨了方法所得到结构形态的一些力学特性。该方法所得结构为以均匀拉压应力形式来抵抗荷载,其形式可为结构概念设计提供参考。

摘要：为便于形态创构方法在工程设计中的应用,有效改善框架结构的抗侧刚度,本文提出一种"先增后减"的创构策略来寻找其合理的支撑分布.在该创构策略中,结构演化从简单结构开始,可快速有效地寻找结构的高效传力路径.同时还提出一种改进的构件效率指标用于表征水平荷载作用下的构件效率,并在该创构策略中进行应用.算例表明,此效率指标和创构策略对寻找框架结构有效支撑效果良好.

摘要：根据应变能与节点坐标之间的关系,建立了创构自由曲面网壳结构形态的方法。该方法利用应变能的性质通过节点坐标的移动,逐步减少结构应变能,最终得到结构应变能最小的合理结构形态。所得到的结构不仅具有形状自由、灵活的特点,而且具有足够的刚度和极限承载力,同时与常规单层网壳结构相比很少受初始节点偏差的影响。最终的结构形状,与初始形状、空间条件等密切相关,在方案设计阶段利用该方法可以得出与不同初始条件相应的多种合理形状,也可以对建筑师所确定的形状进行修正,提高力学性能的合理性。