一种基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法技术

本发明专利技术公开了一种基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，包括(1)获取待优化的索穹顶结构模型，并提取其单榀剖面模型，获得形状特征；(2)以形状特征为优化变量，根据各形状特征的值确定各形状特征的搜索空间；(3)以优化后的索穹顶结构模型的单榀质量不超过待优化的索穹顶结构模型的单榀质量为约束条件，以索穹顶结构整体鲁棒性最佳为优化目标，采用全局优化算法搜索鲁棒性最佳的单榀剖面模型。本发明专利技术针对索穹顶结构的特征，在质量约束的前提条件下，结合形状特征的采集和有限元分析计算的索穹顶结构的整体鲁棒性，并采用全局优化算法进行索穹顶结构模型的形状特征优化，索穹顶结构自重和整体鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法
本专利技术属于建筑设计领域，更具体地，涉及一种基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法。
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。索穹顶结构的鲁棒性，即索穹顶结构抵抗与起因不对称的破坏后果的能力，是索穹顶结构设计的重要约束因素。如果索穹顶结构的鲁棒性较低，可能由于结构中的薄弱结构或者致命缺陷，导致在极端天气、意外事件、施工缺陷等起因的影响下，导致不相称的倒塌后果。然而简单的增加受力杆的截面或者改变拉力索的张力，并不能避免设计结构缺陷，不必然提高索穹顶结构的鲁棒性，同时会导致自重增加等问题。因此有必要发展一种在不增加质量的前提下的提高索穹顶结构鲁棒性的方法。
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基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其目的在于在约束单榀质量不超过原模型的前提下，通过形状特征的优化提高结构的鲁棒性，由此解决现有技术不能针对索穹顶结构兼顾结构鲁棒性和结构自重的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，包括以下步骤：<br>(1)获取待优化的索穹顶结构模型，并提取其单榀剖面模型，获得所述待优化的索穹顶结构的形状特征；(2)以步骤(1)中提取的形状特征为优化变量，根据待优化的索穹顶结构模型的各形状特征的值确定各形状特征的搜索空间；(3)在步骤(2)确定的搜索空间内，以优化后的索穹顶结构模型的单榀质量不超过待优化的索穹顶结构模型的单榀质量为约束条件，以索穹顶结构整体鲁棒性最佳为优化目标，采用全局优化算法搜索鲁棒性最佳的单榀剖面模型；所述以优化后的索穹顶结构模型的单榀质量不超过待优化的索穹顶结构模型的单榀质量为约束条件，即：M≤M0其中M0为待优化的索穹顶结构模型的单榀质量，M为优化后的索穹顶结构模型的单榀质量。优选地，所述基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其所形状特征为索穹顶结构模型的节点坐标特征。优选地，所述基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其所形状特征包括环索半径，所述环索半径指单榀剖面模型中各环索的半径大小；优选包括撑杆顶部节点标高，所述撑杆顶部节点标高，指撑杆顶部节点标高与周边支座节点标高的差值；更优选还包括撑杆高度，所述撑杆高度指单榀剖面模型中撑杆上下节点之间撑杆长度。优选地，所述基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其所述索穹顶结构模型，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、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，所述基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其所述优化后的索穹顶结构模型的单榀质量，计算方法如下：单榀中包含的所有杆件质量之和作为单榀质量，杆件质量为杆件长度和单位长度质量的乘积，所述杆件单位长度质量为杆件横截面积和结构密度决定。优选地，所述基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其所述索穹顶结构整体鲁棒性按照以下方法计算：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，本专利技术指常规荷载F0和干扰荷载w(t)合力Fk的概率分布函数。优选地，所述基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其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var＝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：优选地，所述基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其中常规荷载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，所述基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其所述采用全局优化算法搜索鲁棒性最佳的单榀剖面模型，采用遗传算法搜索鲁棒性最佳的单榀剖面模型，具体包括以下步骤：(3-1)计算步骤(1)中获取的待优化的索穹顶结构模型的结构鲁棒性指标和单榀质量；(3-2)根据步骤(2)获取的各形状特征的搜索空间，针对形状特征进行编码生成初始种群；(3-3)对步骤(3-1)获得的初始种群的各个个体，根据其形状特征计算其结构鲁棒性指标以及其单榀质量；(3-4)根据步骤(3-3)的结果，筛选单榀质量不超过初始单榀质量的个体，并对这些个体根据其结构鲁棒性指标的倒数为适应度；(3-5)根据步骤(3-4)中获得的个体的适应度，根据适应度规则，选择将进入下一代的个体以生成优胜劣汰后的种群，并给判断是否满足迭代收敛条件，当满足收敛条件时，将适应度最佳的个体的所具有的形状特征作为优化结果输出；否则进行迭代进化生成下一代种群作初始种群重复步骤(3-3)至(3-5)。优选地，所述基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其步骤(3-5)所述迭代进化生成下一代种群，具体包括：A、交叉：对优胜劣本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)获取待优化的索穹顶结构模型，并提取其单榀剖面模型，获得所述待优化的索穹顶结构的形状特征；/n(2)以步骤(1)中提取的形状特征为优化变量，根据待优化的索穹顶结构模型的各形状特征的值确定各形状特征的搜索空间；/n(3)在步骤(2)确定的搜索空间内，以优化后的索穹顶结构模型的单榀质量不超过待优化的索穹顶结构模型的单榀质量为约束条件，以索穹顶结构整体鲁棒性最佳为优化目标，采用全局优化算法搜索鲁棒性最佳的单榀剖面模型；/n所述以优化后的索穹顶结构模型的单榀质量不超过待优化的索穹顶结构模型的单榀质量为约束条件，即：/nM≤M

【技术特征摘要】
1.一种基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取待优化的索穹顶结构模型，并提取其单榀剖面模型，获得所述待优化的索穹顶结构的形状特征；
(2)以步骤(1)中提取的形状特征为优化变量，根据待优化的索穹顶结构模型的各形状特征的值确定各形状特征的搜索空间；
(3)在步骤(2)确定的搜索空间内，以优化后的索穹顶结构模型的单榀质量不超过待优化的索穹顶结构模型的单榀质量为约束条件，以索穹顶结构整体鲁棒性最佳为优化目标，采用全局优化算法搜索鲁棒性最佳的单榀剖面模型；
所述以优化后的索穹顶结构模型的单榀质量不超过待优化的索穹顶结构模型的单榀质量为约束条件，即：
M≤M0
其中M0为待优化的索穹顶结构模型的单榀质量，M为优化后的索穹顶结构模型的单榀质量。


2.如权利要求1所述的基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其特征在于，所述形状特征为索穹顶结构模型的节点坐标特征。


3.如权利要求1或2所述的基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其特征在于，所形状特征包括环索半径，所述环索半径指单榀剖面模型中各环索的半径大小；优选包括撑杆顶部节点标高，所述撑杆顶部节点标高，指撑杆顶部节点标高与周边支座节点标高的差值；更优选还包括撑杆高度，所述撑杆高度指单榀剖面模型中撑杆上下节点之间撑杆长度。


4.如权利要求1所述的基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其特征在于，所述索穹顶结构模型，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、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。


5.如权利要求1所述的基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其特征在于，所述优化后的索穹顶结构模型的单榀质量，计算方法如下：
单榀中包含的所有杆件质量之和作为单榀质量，杆件质量为杆件长度和单位长度质量的乘积，所述杆件单位长度质量为杆件横截面积和结构密度决定。


6.如权利要求1所述的基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其特征在于，所述索穹顶结构整体鲁棒性按照以下方法计算：



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，本文指常规荷载F0和干扰荷载w(t)合力Fk的概率分布函数。


7.如权利要求6所述的基于质量约束的索穹顶结构鲁棒性提高方法，其特征在于，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F...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈联盟，刘毅杰，朱雪雷，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