基于参数空间的平面结构拓扑形态创构方法研究

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结构是构成建筑空间的骨架,又是承受荷载的主体。结构形态的选择不仅影响建筑物的安全性和经济性,也直接影响建筑物的使用性、审美性等。对于结构合理形态的探索一直是结构工程领域的重要课题,对于著名的经典结构,无一不体现出使用功能、形体美观和受力合理的特点。很多学者也为此做了大量的研究工作。连续体结构的拓扑形态创构方法的研究对于连续体结构的体系创新提供了理论基础,通过丰富多彩且合理的形体来实现结构的高效率,对于连续体结构甚至空间结构的的发展具有重要意义。本文根据改进进化论方法的基本理论,来进一步研究平面结构的拓扑形态创构,最后总结得出基于参数空间的平面结构拓扑形态创构方法。在原来的改进进化论方法的基础上,引入参数空间的概念,使拓扑形态创构在两个空间内进行。在真实的物理空间用有限元法进行结构计算,把得到的相关目标力学量映射到与物理空间对应的正交参数空间,在参数空间内形成目标力学量的等值线,根据确定的消除基准值形成新的结构体,映射回物理空间,完成一次拓扑优化过程。同时将原来方法的矩形设计域扩展成不规则边界设计域,为创构出更多形式多样丰富的结构提供了可能。该方法在参数空间内形成等值线的过程使目标力学量分配更加均匀,同时非规则边界设计域可以限制结构在建筑要求的空间限制条件内产生受力较为合理的结构,使其更加适用于建筑设计的要求。本文应用基于参数空间的平面结构拓扑形态创构方法,以von Mises应力为目标力学量,对在不同类型下的典型荷载和约束作用的非规则边界结构进行拓扑形态创构,总结分析相应结构的进化过程和相应力学指标。该方法得到的结构是具有材料用量少且利用率高、受力合理且应力分布均匀、边界光滑的结构形态。根据本文提出的基于参数空间的平面结构拓扑形态创构思想,通过编制Fortran程序,验证了整个创构方法的可行性和合理性。
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