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杂交椭球抛物面网壳静、动力性能分析及形状优化设计

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摘 要

ABSTRACT

第1章 绪 论

1.1 网壳结构概述

1.1.1网壳结构的发展与应用

1.1.2 网壳结构的类型

1.2 杂交椭球抛物面网壳结构

1.2.1杂交网壳特点

1.2.2 椭球抛物面网壳概述

1.3 本文研究背景

1.4 本文主要研究内容

第2章 杂交椭球抛物面网壳参数化设计及几何关系推导

2.1 杂交椭球抛物面网壳结构几何描述

2.2 两类6种杂交椭球抛物面网壳参数化设计

2.2.1 第一类杂交椭球抛物面网壳的参数化建模

2.2.2第二类杂交椭球抛物面网壳的参数化建模

2.3 杂交椭球抛物面网壳结构的几何参数推导及应用

2.3.1 宏、微观几何参数关系式

2.3.2 宏、微观参数的工程应用

2.4 本章小结

第3章 杂交椭球抛物面网壳静力性能分析

3.1计算模型及参数设置

3.2 两类6种杂交椭球抛物面网壳的受力性能

3.2.1第一类杂交椭球抛物面网壳的受力性能分析

3.2.2第二类杂交椭球抛物面网壳的受力性能分析

3.3 结构宏观几何参数对结构静力性能的影响

3.3.1 上部结构径向节点圈数NS变化对网壳受力性能的影响

3.3.2环向区域份数Kn变化对网壳受力性能的影响

3.3.3矢高f变化对网壳受力性能的影响

3.3.4跨度S变化对网壳受力性能的影响

3.3.5支座形式对网壳受力性能的影响

3.4 本章小结

第4章 杂交椭球抛物面网壳形状优化设计

4.1 网壳结构形状优化理论方法

4.1.1 截面优化

4.1.2 形状优化

4.2.1 目标函数

4.2.2 约束条件

4.3 杂交椭球抛物面网壳结构形状优化设计算例分析

4.3.1 两种杂交椭球抛物面网壳形状优化结果

4.3.2 形状优化结果分析

4.4 本章小结

第5章 杂交椭球抛物面网壳地震响应分析

5.1 动力分析模型简介

5.2 自振特性分析

5.2.1 自振特性分析方法

5.2.2 杂交椭球抛物面网壳结构自振特性分析

5.2.3 跨度S对自振频率的影响

5.2.4 矢高f对自振频率的影响

5.2.5 环向区域份数Kn对自振频率的影响

5.2.6 上部结构径向节点圈数Ns对自振频率的影响

5.3 结构地震响应分析

5.3.1 基本理论

5.3.2 凯威特-肋环和凯威特-联方型椭球抛物面网壳地震响应分析

5.3.3 矢高f对地震响应的影响

5.3.4 环向区域份数Kn对地震响应的影响

5.3.5 支座条件对地震响应的影响

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附 录

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况

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摘要

随着人们体育、文娱、旅游活动的不断增加和建筑新技术、新材料的不断涌现,由不同类型结构组合而成的杂交空间结构目前已成为大跨空间结构发展的新趋势。杂交结构可充分发挥每种单一型空间结构的特点,通过合理杂交和组合改善单一结构体系受力性能和建筑总投资,增大空间结构覆盖空间,收到很好效果。 杂交椭球抛物面网壳改善了单一型网壳顶点附近杆件连接较多出现的应力集中现象,使网格分布更均匀,结构受力性能有所提高。本文应用APDL(ANSYS Parametric Design Language)参数化设计语言,研制了两类6种杂交椭球抛物面网壳参数化设计宏程序,并对该类结构静、动力性能和形状优化设计进行了初步研究。主要工作有: (1)据椭球抛物面方程:z=f-4f(x2/S12+y2/S22)(其中S1为长轴跨度、S2为短轴跨度、f为矢高),借鉴圆形水平投影杂交马鞍型网壳和旋转抛物面网壳建模方法及网格划分形式,建立了两类六种杂交椭球抛物面网壳参数化设计宏程序。 (2)对6种杂交椭球抛物面网壳结构施加静力荷载,分析跨度S、矢高f、环向区域份数Kn、上部结构径向节点圈数Ns和支座形式变化对结构静力性能的影响,总结出6种结构受力性能较好的跨度、矢高和网格数的范围,为实际工程设计提供理论参考。 (3)以杂交椭球抛物面网壳结构耗钢量最小为目标函数,以局部和整体约束为约束条件,分析了凯威特-联方型椭球抛物面网壳结构在不同跨度S、矢高f、环向区域份数Kn和上部结构径向节点圈数Ns工况下的最小耗钢量,得出了该网壳在耗钢量最小时的网格数最优组合。根据椭圆抛物面曲面方程,推导出三种椭球抛物面网壳结构杆件长度与宏、微观几何参数的关系式;以凯威特-联方网壳为例,根据宏微观数学模型,得出工程上杆件长度和Nx的取值范围,提高了形状优化设计效率和工程应用价值。 (4)对凯威特-联方和凯威特-肋环型椭球抛物面网壳进行了地震响应分析。分析跨度S、矢高f、环向区域份数Kn和上部结构径向节点圈数Ns变化对结构自振特性的影响,得到结构自振频率和振型的变化规律;采用时程分析法对结构进行了响应分析,得到节点位移时程曲线,为提高杂交椭球抛物面网壳结构抗震性能提供了有益参考。 最后,本文对杂交椭球抛物面网壳分析进行了总结和进一步展望。

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