基本信息
- 項目名稱：
- 非規(guī)則球形網架構型原理與方法及其力學性能數(shù)值模擬
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 非規(guī)則球形網架以其優(yōu)良的電磁性能和力學性能，可廣泛應用于航空、氣象通訊設備保護（比如天線罩）及大跨度建筑等領域，但該類網架在國內的理論研究幾乎沒有。本文基于多面體網架拓撲關系及構型特點，初步總結了這種網架的構型理論和關鍵技術，并提供該網架的設計參數(shù)，利用計算機對三種非規(guī)則三角形網架，在參數(shù)相同條件下的變形和應力進行了數(shù)值模擬和對比分析，驗證構型理論的可行性和正確性。
- 詳細介紹：
- 非規(guī)則球形網架力學性能和電磁性能優(yōu)越，在國外已經廣泛應用于航空、氣象通訊設備保護（比如天線罩）及大跨度建筑等領域，但目前我國還沒有自己設計和制造的這種結構，其中主要原因就是我國還沒有掌握這種網架構型設計的關鍵技術、構型理論和設計方法，本文對這種非規(guī)則球形網架的構型設計進行了初步研究。 本論文完成的主要工作： （1）總結了非規(guī)則網架的構型理論和關鍵技術，即基元中心72度旋轉對稱性、基元120度旋轉對稱性、以及12個五邊形分別旋轉一定的角度是構造這種特殊結構的關鍵方法。 （2）基于多面體網架拓撲關系及構型特點，推導了三角形多面體和六邊形多面體網架的構型計算公式，如非規(guī)則旋轉角、節(jié)點坐標、邊長等，對單獨的含三角函數(shù)的方程采用解析方法求解，對含三角函數(shù)的方程組采用MATLAB軟件求解。 （3）采用ANSYS的二次開發(fā)功能，開發(fā)了兩種網架的三維計算機可視化建模專用程序。通過球形網架的三維可視化模型，從圖形上檢查桿件的總體布局是否合理、基元與基元之間是否有間隙或重疊，并對節(jié)點坐標、桿件長度、桿件之間的各種角度進行了精確檢驗（精確到10位有效數(shù)字）。 （4）采用有限元數(shù)值模擬方法，對三種非規(guī)則三角形網架在相同荷載和約束條件下的變形和應力進行了對比分析。 （5）制作了兩種網架的紙質模型和有機玻璃模型。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：研究基于歐拉定理的非規(guī)則任意多邊形球形網架的構型理論和方法，獲得該網架設計的整套設計方法、計算公式，并能夠提供該網架的設計參數(shù)。 思路：1、分析研究非規(guī)則網架的構型特點，總結網架構型規(guī)律、提煉關鍵技術；2、推導三角形和六邊形多面體網架的構型計算公式；3、根據構型計算公式，采用ANSYS的二次開發(fā)功能，實現(xiàn)非規(guī)則三角形和六邊形多面體網架的計算機可視化建模，以便定量地檢驗所設計網架的正確性。
科學性、先進性及獨特之處
- 采用理論推導、計算機數(shù)值求解和三維計算機圖形可視化相結合的方法，對非規(guī)則球形網架構型進行研究，取得了可用于該球形網架構型設計的理論、方法、計算公式，并實現(xiàn)了網架三維計算機可視化，所以，采用的技術路線科學合理，研究方法和手段先進。 論文內容包括理論推導、超越非線性方程組數(shù)值求解、三維可視化，并可提供網架設計和有限元力學分析用的具體數(shù)據，所以，理論性、系統(tǒng)性、完整性和實用性是本論文的獨到之處。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 非規(guī)則球形網架以其良好的電磁性能、造型美觀、易建造等優(yōu)點，早在30年前國外就已經開始應用于軍事和民用電子通訊設備（如雷達）的防護設備。受限于對非規(guī)則形網架的構型理論和方法，我國至今不具備設計制造該種網架的能力。 本文研究了非規(guī)則網架的構型理論和方法，因為這是制造非規(guī)則形網架的第一步關鍵問題，并且取得了從構型理論、計算方法和三維建模一套完整的成果，所以本研究具有理論意義和工程應用價值。
學術論文摘要
- 球形網架基于其圓球外形和桿件承擔荷載的特點，使其具有良好的承載能力，在工程結構中常被采用。工程中的球形網架構型，桿件布局多種多樣，但是，總體上來說都有沿徑向線的對稱性和沿環(huán)向線的規(guī)律性，這樣構型相對來說比較容易實現(xiàn)。然而在某些特殊領域，為了滿足某種特殊要求，就必須研究出可避免這種對稱性和規(guī)律性的非規(guī)則球形網架，這也就使得這種球形網架的構型難度增大。我國目前還沒有能力自己設計和制造的這種結構，其中主要原因就是我國還沒有掌握這種網架構型設計的關鍵技術、構型理論和設計方法，本文對這種非規(guī)則球形網架的構型設計理論和方法進行了初步研究。 本文基于多面體網架拓撲關系及構型特點，總結了這種網架的構型理論和關鍵技術，然后推導了三角形多面體和六邊形多面體網架的構型計算公式。根據構型計算公式，采用ANSYS的二次開發(fā)功能，成功地實現(xiàn)了非規(guī)則三角形和六邊形多面體網架的三維計算機可視化建模，并制作了兩種實物網架模型：紙質模型和有機玻璃模型。三維計算機可視化模型和實物模型驗證了本文的構型理論和計算公式是正確、可行的。采用有限元數(shù)值模擬方法，對三種非規(guī)則三角形網架，在參數(shù)相同條件下的變形和應力進行了對比分析，結果表明，網架的最大豎向位移、桿件內力和應力隨網架面數(shù)是變化的。
獲獎情況
- 1、論文《非規(guī)則球形網殼力學性能數(shù)值模擬》已發(fā)表于《現(xiàn)代物業(yè)》，2011年第10卷第6期（總第188期）。 2、論文《新型糧倉屋蓋的構建和力學性能研究》已發(fā)表于《商品與質量》，2011年6月。 3、論文《一種新型筒倉屋蓋力學性能研究》已被我校校報（自然科學版）錄用。 4、獲省第九屆挑戰(zhàn)杯特等獎。 5、本文獲校級評選一等獎。
鑒定結果
- 已由教育部科技查新工作站鑒定。
參考文獻
- [1] 舒暢,周豐峻,劉士珍. 仿納米原子網架結構 [J]. 空間結構,2008,14（3） [2] 舒暢,周豐峻,劉士珍. 272 面體球面網殼幾 何構型設計[J]. 空間結構，2009,15（1）[3] 董石麟. 中國空間結構的發(fā)展與展望[J]. 建 筑結構學報,2010 [4] 董石麟,趙陽. 論空間結構的形式和分[J]. 土木工程學報, 2004 [5] 董石麟. 空間結構的發(fā)展歷史、創(chuàng)新、形式 分類與實踐應用[J]. 空間結構, 2009 [6] 杜澤麗. 單層球面網殼結構的構型優(yōu)化及穩(wěn) 定性研究[J].2008 [7] 梁醒培,王輝. 應用有限元分析[M].北京：清 華大學出版社，2010 [8] 任輝啟．ANSYS7.0 工程分析實例詳解[M]． 北京：人民郵電出版社，2003 [9] Pedrettim, Luchsinger R H. Tensairi ty patent-Apneumatic tensile roof [J]. Stablbau, 2007 [10] Mark Richards, Radar Signal Process ing[J], McGraw-Hill, 2005.
同類課題研究水平概述
- 網架大體上可分為兩類，即規(guī)則型網架和非規(guī)則形網架，規(guī)則形網架是指其構型沿徑向線具有對稱性和沿環(huán)向線具有規(guī)律性，而與規(guī)則形網架相反，當網架用作民用（民航通信、天氣預報等）和軍用的電子通訊設備的防護設備時，為了滿足電磁性能的要求，就是必須避免這種構型上的規(guī)則性和規(guī)律性，即需要非規(guī)則形網架。 從字面上看非規(guī)則可以理解為“亂”，實際上是“亂”而有序，即非規(guī)則的構型同樣是有規(guī)律性的，并有相應的構型理論和方法。這就要基于凸多面體的歐拉定理，從“亂”中研究其構型規(guī)律、構型理論和具體的構型方法，所以，與規(guī)則形網架相比，非規(guī)則形網架的構型更具難度。 我國對非規(guī)則形網架的研究較少，上世紀八十年代，我國曾開展過對此類網架的研究，但未獲結果而中止。近年又有學者對非規(guī)則形網架開展了研究，取得了新的進展。但是，只研究得到了32、42、72、122、252、272、482多面體的構型數(shù)據，即網架的節(jié)點位置、桿件長度、角度等，而未進行三維建模驗證。本小組根據文獻的多面體網架的構型數(shù)據，進行了三維計算機仿真驗證，發(fā)現(xiàn)在基元的有些六邊形之間有縫隙，這是無法加工制造的，我們并就此與文獻的作者進行了兩次面對面的商榷和交流，表明縫隙是存在的。 據本小組查閱資料情況，目前我國還不具備設計制造非規(guī)則網架的能力，主要原因是不掌握這種非規(guī)則網架的構型理論和方法。 本小組基于凸多邊形歐拉定理，分析了非規(guī)則球形網架的構型規(guī)律，得到了構型原理和構型方法，給出了相關計算公式和計算方法，并實現(xiàn)了三維計算機可視化建模，從而可進行網架構型的拓撲檢查和各種參數(shù)的定量檢驗，由網架的三維模型還可為網架的結構分析和加工制造快速提供所需數(shù)據。 基于上述理論和方法，本小組還完成了180、240、440面體三種三角形非規(guī)則多面體和42、122、272面體等三種六邊形非規(guī)則多面體的構型，并制作了180面體和240面體的紙質和有機玻璃模型，還初步對三種三角形非規(guī)則網架的力學性能進行了有限元分析。 本文雖然僅研究了非規(guī)則網架的構型理論和方法，因為這是制造非規(guī)則網架的第一步關鍵問題，并且取得了從構型理論、計算方法和三維建模一套完整的實用性成果，所以本研究具有理論意義和工程應用價值。
