一种轻量化索穹顶结构形状优化方法技术

本发明专利技术公开了一种轻量化索穹顶结构形状优化方法，包括以下步骤：(1)建立索穹顶结构的优化目标：在索穹顶结构的模型结构参数、以及构件参数不变的前提下，保证结构鲁棒性不降低且质量最轻；(2)选择优化参数：选择待优化的索穹顶结构形状参数作为优化参数；(3)选择全局优化算法进行优化；(4)根据步骤(3)选择的优化算法，以步骤(1)建立的送穹顶结构的优化目标为约束，对步骤(2)选择的优化参数进行优化，获得优化后的索穹顶结构形状参数；(5)根据步骤(4)中获得的索穹顶结构优化参数构件索穹顶结构模型。本发明专利技术提供的轻量化索穹顶结构形状优化方法，能避免形状结构设计缺陷，通过优化索穹顶结构形状降低索穹顶结构自重。

【技术实现步骤摘要】
一种轻量化索穹顶结构形状优化方法
本专利技术属于建筑设计领域，更具体地，涉及一种轻量化索穹顶结构形状优化方法。
技术介绍
索穹顶结构是基于建筑大师Fuller提出的“让不连续的压杆成为连续拉索形成的拉力海洋中的孤岛”理论诞生的一种由拉力索和受压杆作为基本单元并进行合理组合的一类空间结构柔性体系。相比普通的索杆预张力结构，由于索穹顶结构充分利用拉索的高强性能和预张力调控刚度的优良性能，具有跨度大、自重轻、效率高、整体美观、经济性能好等特点，因此在实际工程中得到广泛应用。索穹顶结构的自重是指索穹顶结构各构件质量的综合，通常索穹顶结构要求有比较轻的自重，降低造价。然而一味的减小索穹顶结构的自重，会导致索穹顶结构的稳定性和对抗外界不确定因素影响的能力。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种轻量化索穹顶结构的形状优化方法，其目的在于采用鲁棒性指标作为索穹顶结构优化的约束条件，在索穹顶结构鲁棒性不低于待优化模型的前提下，对形状特征进行优化，从而在使得索穹结构轻量化的同时保证结构的鲁棒性，避免形状设计缺陷导致在受到外界因素影响下，结构失效导致不相称的致命缺陷，由此解决对索穹顶结构的轻量化优化带来的结构稳定性方面的缺陷的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种轻量化索穹顶结构形状优化方法，包括以下步骤：(1)建立索穹顶结构的优化目标：所述索穹顶结构的优化目标为：在索穹顶结构的模型结构参数、以及构件参数不变的前提下，保证结构鲁棒性不降低且质量最轻；(2)选择优化参数：选择待优化的索穹顶结构形状参数作为优化参数；(3)选择适用的优化算法：选择全局优化算法进行优化；(4)根据步骤(3)选择的优化算法，以步骤(1)建立的索穹顶结构的优化目标为约束，对步骤(2)选择的优化参数进行优化，获得优化后的索穹顶结构形状参数；(5)根据步骤(4)中获得的索穹顶结构优化参数构件索穹顶结构模型，实现索穹顶结构形状优化。优选地，所述轻量化索穹顶结构形状优化方法，其步骤(1)所述索穹顶结构的模型结构参数，包括索穹顶结构类型、结构榀数、结构环索圈数、结构矢跨比、荷载分布形式。优选地，所述轻量化索穹顶结构形状优化方法，其步骤(1)所述索穹顶结构的构件参数，包括构件类型、各类型构件的规格、各类型构件的截面面积、各类型构件的弹性模量、各类型构件的初始预应力。优选地，所述轻量化索穹顶结构形状优化方法，其步骤(1)所述保证结构鲁棒性不降低且质量最轻，记作：其中M为所述索穹顶结构的质量，ρ为构件结构密度，Lk为构件长度，Ak为构件横截面积，k为所述索穹顶结构的构件数量，IR为优化后的索穹顶结构的结构鲁棒性指标，IR0为待优化的索穹顶结构的结构鲁棒性指标。优选地，所述轻量化索穹顶结构形状优化方法，其所述索穹顶结构的结构鲁棒性指标为非线性结构鲁棒性指标，优选为基于有限元分析的非线性结构鲁棒性指标，按照如下方法计算：其中，IR为鲁棒性指标，其值越小，表明在输入干扰作用下产生的响应越小，即结构鲁棒性能越强；GwΔy(s)为系统传递函数，w(t)为输入干扰向量，本专利技术中定义为服从正态分布的干扰荷载，Δy(t)为输入干扰向量w(t)产生的输出向量，本专利技术中定义为在常规荷载F0与常规荷载F0和干扰荷载w(t)合力Fk作用下节点位移差的向量矩阵；其中所述Q为加权矩阵，本专利技术采用常规荷载F0和干扰荷载w(t)合力Fk的概率分布函数。所述索穹顶结构整体鲁棒性可采用有限元分析近似获取，具体步骤如下，鲁棒性指标：其中，w(t)为输入干扰向量，本专利技术中定义为服从正态分布N(0，σ2)，将w(t)的值域区域间(-3σ，+3σ)分成m个有限元；IRk为第k有限元区间的结构鲁棒性指标，Q(k)为第k区间荷载合力Fk的概率分布函数，用作为该区间的结构鲁棒性的权重系数，k＝1，2，3，···，m/2。第k有限元区间的结构鲁棒性指标IRk计算方法如下：其中n为结构自由节点总数，i＝1，2，3，···，n，uxi、uyi、uzi分别为结构在常规荷载F0作用下第i节点沿x、y、z三个方向的位移分量；u′kxi、u′kyi、u′kzi分别为结构在第k区间荷载合力Fk作用下第i节点沿x、y、z三个方向的位移分量；α(k)为第k区间内干扰荷载wk(t)与常规荷载F0的比值。w(t)定义在区间(-3var，3var)内(变异系数vat＝0.005)，可视为w(t)基本是必定发生的。则第k区间内干扰荷载wk(t)与常规荷载F0的比值α(k)为：第k区间荷载合力Fk的概率分布函数Q(k)，具体计算公式如下：IRk包含了第k区间内分别包含正、负干扰荷载的两种荷载合力Fk作用下的鲁棒值。结合各区间鲁棒值，最终可得到结构在全部正态分布区间的鲁棒值：常规荷载F0作用下第i节点沿x、y、z三个方向的位移分量uxi、uyi、uzi，及合力Fk作用下第i节点沿x、y、z三个方向的位移分量u′kxi、u′kyi、u′kzi，均可利用有限元软件ANSYS计算并直接读取。优选地，所述轻量化索穹顶结构形状优化方法，其步骤(2)所述索穹顶结构形状参数，具体包括：撑杆顶部节点标高、撑杆高度、和/或环索半径。优选地，所述轻量化索穹顶结构形状优化方法，其所述撑杆顶部节点标高指撑杆顶部节点与支座节点之间的高度差异；所述撑杆高度指单榀剖面模型中撑杆顶部节点与底部节点之间长度；所述环索半径指单榀剖面模型中各环索的半径大小。优选地，所述轻量化索穹顶结构形状优化方法，其所述优化参数优选为以下方案之一：A、环索半径；B撑杆顶部节点标高、以及撑杆高度；C、撑杆顶部节点标高、撑杆高度、以及环索半径。优选地，所述轻量化索穹顶结构形状优化方法，其步骤(3)选择遗传算法；步骤(4)具体为：(4-1)建立遗传算法模型：包括编码模块、传代模块、选择模块、以及解码模块；所述编码模块，用于将待优化的参数采用二进制编码获得初始种群的基因型，从而生成初代种群；所述选择模块，用于对初始种群或现有种群计算其中每个个体针对步骤(1)建立的送穹顶结构的优化目标的适应度并筛选适应度超过阈值的个体，并判断是否满足收敛条件，当满足迭代条件时，输出适应度最高的个体给解码模块；否则将筛选的适应度超过阈值的个体输出给传代模块；所述传代模块，用于根据所述选择筛选的适应度超过阈值的个体进行复制、交叉和变异获得现有种群；所述解码模块，用于解析所述选择模块输出的适应度最高的个体，互动二优化后的参数；(4-2)载入优化参数：所述载入优化参数即将步骤(2)选择的优化参数，输入到步骤(1)构建的所述编码模块，生成初始种群；(4-3)对优化参数进行迭代搜索直至收敛：所述选择模块的适应度为质量的倒数且鲁棒性指标小于等于原模型的鲁棒性指标，即所有鲁棒性不逊于原模型鲁棒性的个体，其适应度为质量的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻量化索穹顶结构形状优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)建立索穹顶结构的优化目标：所述索穹顶结构的优化目标为：在索穹顶结构的模型结构参数、以及构件参数不变的前提下，保证结构鲁棒性不降低且质量最轻；/n(2)选择优化参数：选择待优化的索穹顶结构形状参数作为优化参数；/n(3)选择适用的优化算法：选择全局优化算法进行优化；/n(4)根据步骤(3)选择的优化算法，以步骤(1)建立的索穹顶结构的优化目标为约束，对步骤(2)选择的优化参数进行优化，获得优化后的索穹顶结构形状参数；/n(5)根据步骤(4)中获得的索穹顶结构优化参数构件索穹顶结构模型，实现索穹顶结构形状优化。/n

【技术特征摘要】
1.一种轻量化索穹顶结构形状优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立索穹顶结构的优化目标：所述索穹顶结构的优化目标为：在索穹顶结构的模型结构参数、以及构件参数不变的前提下，保证结构鲁棒性不降低且质量最轻；
(2)选择优化参数：选择待优化的索穹顶结构形状参数作为优化参数；
(3)选择适用的优化算法：选择全局优化算法进行优化；
(4)根据步骤(3)选择的优化算法，以步骤(1)建立的索穹顶结构的优化目标为约束，对步骤(2)选择的优化参数进行优化，获得优化后的索穹顶结构形状参数；
(5)根据步骤(4)中获得的索穹顶结构优化参数构件索穹顶结构模型，实现索穹顶结构形状优化。


2.如权利要求1所述的轻量化索穹顶结构形状优化方法，其特征在于，步骤(1)所述索穹顶结构的模型结构参数，包括索穹顶结构类型、结构榀数、结构环索圈数、结构矢跨比、荷载分布形式。


3.如权利要求1所述的轻量化索穹顶结构形状优化方法，其特征在于，步骤(1)所述索穹顶结构的构件参数，包括构件类型、各类型构件的规格、各类型构件的截面面积、各类型构件的弹性模量、各类型构件的初始预应力。


4.如权利要求1所述的轻量化索穹顶结构形状优化方法，其特征在于，步骤(1)所述保证结构鲁棒性不降低且质量最轻，记作：



其中M为所述索穹顶结构的质量，ρ为构件结构密度，Lk为构件长度，Ak为构件横截面积，k为所述索穹顶结构的构件数量，IR为优化后的索穹顶结构的结构鲁棒性指标，IR0为待优化的索穹顶结构的结构鲁棒性指标。


5.如权利要求4所述的轻量化索穹顶结构形状优化方法，其特征在于，所述索穹顶结构的结构鲁棒性指标为非线性结构鲁棒性指标，优选为基于有限元分析的非线性结构鲁棒性指标，按照如下方法计算：



其中，IR为鲁棒性指标，其值越小，表明在输入干扰作用下产生的响应越小，即结构鲁棒性能越强；GwΔy(s)为系统传递函数，w(t)为输入干扰向量，本发明中定义为服从正态分布的干扰荷载，Δy(t)为输入干扰向量w(t)产生的输出向量，本发明中定义为在常规荷载F0与常规荷载F0和干扰荷载w(t)合力Fk作用下节点位移差的向量矩阵；其中



所述Q为加权矩阵，本文采用常规荷载F0和干扰荷载w(t)合力Fk的概率分布函数。
所述索穹顶结构整体鲁棒性可采用有限元分析计算获取，具体步骤如下，鲁棒性指标：



其中，w(t)为输入干扰向量，本发明中定义为服从正态分布N(0，σ2)，将w(t)的值域区域间(-3σ，+3σ)分成m个有限元；IRk为第k有限元区间的结构鲁棒性指标，Q(k)为第k区间荷载合力Fk的概率分布函数，用作为该区间的结构鲁棒性的权重系数，k＝1，2，3，···，m/2。
第k有限元区间的结构鲁棒性指标IRk计算方法如下：



其中n为结构自由节点总数，i＝1，2，3，···，n，uxi、uyi、uzi分别为结构在常规荷载F0作用下第i节点沿x、y、z三个方向的位移分量；u′kxi、u′kyi、u′kzi分别为结构在第k区间荷载合力Fk作用下第i节点沿...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈联盟，刘毅杰，潘丽娟，姜智超，章禾，周一一，张福勃，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33