基本信息
- 项目名称：
- 非规则球形网架构型原理与方法及其力学性能数值模拟
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 非规则球形网架以其优良的电磁性能和力学性能，可广泛应用于航空、气象通讯设备保护（比如天线罩）及大跨度建筑等领域，但该类网架在国内的理论研究几乎没有。本文基于多面体网架拓扑关系及构型特点，初步总结了这种网架的构型理论和关键技术，并提供该网架的设计参数，利用计算机对三种非规则三角形网架，在参数相同条件下的变形和应力进行了数值模拟和对比分析，验证构型理论的可行性和正确性。
- 详细介绍：
- 非规则球形网架力学性能和电磁性能优越，在国外已经广泛应用于航空、气象通讯设备保护（比如天线罩）及大跨度建筑等领域，但目前我国还没有自己设计和制造的这种结构，其中主要原因就是我国还没有掌握这种网架构型设计的关键技术、构型理论和设计方法，本文对这种非规则球形网架的构型设计进行了初步研究。 本论文完成的主要工作： （1）总结了非规则网架的构型理论和关键技术，即基元中心72度旋转对称性、基元120度旋转对称性、以及12个五边形分别旋转一定的角度是构造这种特殊结构的关键方法。 （2）基于多面体网架拓扑关系及构型特点，推导了三角形多面体和六边形多面体网架的构型计算公式，如非规则旋转角、节点坐标、边长等，对单独的含三角函数的方程采用解析方法求解，对含三角函数的方程组采用MATLAB软件求解。 （3）采用ANSYS的二次开发功能，开发了两种网架的三维计算机可视化建模专用程序。通过球形网架的三维可视化模型，从图形上检查杆件的总体布局是否合理、基元与基元之间是否有间隙或重叠，并对节点坐标、杆件长度、杆件之间的各种角度进行了精确检验（精确到10位有效数字）。 （4）采用有限元数值模拟方法，对三种非规则三角形网架在相同荷载和约束条件下的变形和应力进行了对比分析。 （5）制作了两种网架的纸质模型和有机玻璃模型。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：研究基于欧拉定理的非规则任意多边形球形网架的构型理论和方法，获得该网架设计的整套设计方法、计算公式，并能够提供该网架的设计参数。 思路：1、分析研究非规则网架的构型特点，总结网架构型规律、提炼关键技术；2、推导三角形和六边形多面体网架的构型计算公式；3、根据构型计算公式，采用ANSYS的二次开发功能，实现非规则三角形和六边形多面体网架的计算机可视化建模，以便定量地检验所设计网架的正确性。
科学性、先进性及独特之处
- 采用理论推导、计算机数值求解和三维计算机图形可视化相结合的方法，对非规则球形网架构型进行研究，取得了可用于该球形网架构型设计的理论、方法、计算公式，并实现了网架三维计算机可视化，所以，采用的技术路线科学合理，研究方法和手段先进。 论文内容包括理论推导、超越非线性方程组数值求解、三维可视化，并可提供网架设计和有限元力学分析用的具体数据，所以，理论性、系统性、完整性和实用性是本论文的独到之处。
应用价值和现实意义
- 非规则球形网架以其良好的电磁性能、造型美观、易建造等优点，早在30年前国外就已经开始应用于军事和民用电子通讯设备（如雷达）的防护设备。受限于对非规则形网架的构型理论和方法，我国至今不具备设计制造该种网架的能力。 本文研究了非规则网架的构型理论和方法，因为这是制造非规则形网架的第一步关键问题，并且取得了从构型理论、计算方法和三维建模一套完整的成果，所以本研究具有理论意义和工程应用价值。
学术论文摘要
- 球形网架基于其圆球外形和杆件承担荷载的特点，使其具有良好的承载能力，在工程结构中常被采用。工程中的球形网架构型，杆件布局多种多样，但是，总体上来说都有沿径向线的对称性和沿环向线的规律性，这样构型相对来说比较容易实现。然而在某些特殊领域，为了满足某种特殊要求，就必须研究出可避免这种对称性和规律性的非规则球形网架，这也就使得这种球形网架的构型难度增大。我国目前还没有能力自己设计和制造的这种结构，其中主要原因就是我国还没有掌握这种网架构型设计的关键技术、构型理论和设计方法，本文对这种非规则球形网架的构型设计理论和方法进行了初步研究。 本文基于多面体网架拓扑关系及构型特点，总结了这种网架的构型理论和关键技术，然后推导了三角形多面体和六边形多面体网架的构型计算公式。根据构型计算公式，采用ANSYS的二次开发功能，成功地实现了非规则三角形和六边形多面体网架的三维计算机可视化建模，并制作了两种实物网架模型：纸质模型和有机玻璃模型。三维计算机可视化模型和实物模型验证了本文的构型理论和计算公式是正确、可行的。采用有限元数值模拟方法，对三种非规则三角形网架，在参数相同条件下的变形和应力进行了对比分析，结果表明，网架的最大竖向位移、杆件内力和应力随网架面数是变化的。
获奖情况
- 1、论文《非规则球形网壳力学性能数值模拟》已发表于《现代物业》，2011年第10卷第6期（总第188期）。 2、论文《新型粮仓屋盖的构建和力学性能研究》已发表于《商品与质量》，2011年6月。 3、论文《一种新型筒仓屋盖力学性能研究》已被我校校报（自然科学版）录用。 4、获省第九届挑战杯特等奖。 5、本文获校级评选一等奖。
鉴定结果
- 已由教育部科技查新工作站鉴定。
参考文献
- [1] 舒畅,周丰峻,刘士珍. 仿纳米原子网架结构 [J]. 空间结构,2008,14（3） [2] 舒畅,周丰峻,刘士珍. 272 面体球面网壳几 何构型设计[J]. 空间结构，2009,15（1）[3] 董石麟. 中国空间结构的发展与展望[J]. 建 筑结构学报,2010 [4] 董石麟,赵阳. 论空间结构的形式和分[J]. 土木工程学报, 2004 [5] 董石麟. 空间结构的发展历史、创新、形式 分类与实践应用[J]. 空间结构, 2009 [6] 杜泽丽. 单层球面网壳结构的构型优化及稳 定性研究[J].2008 [7] 梁醒培,王辉. 应用有限元分析[M].北京：清 华大学出版社，2010 [8] 任辉启．ANSYS7.0 工程分析实例详解[M]． 北京：人民邮电出版社，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.
同类课题研究水平概述
- 网架大体上可分为两类，即规则型网架和非规则形网架，规则形网架是指其构型沿径向线具有对称性和沿环向线具有规律性，而与规则形网架相反，当网架用作民用（民航通信、天气预报等）和军用的电子通讯设备的防护设备时，为了满足电磁性能的要求，就是必须避免这种构型上的规则性和规律性，即需要非规则形网架。 从字面上看非规则可以理解为“乱”，实际上是“乱”而有序，即非规则的构型同样是有规律性的，并有相应的构型理论和方法。这就要基于凸多面体的欧拉定理，从“乱”中研究其构型规律、构型理论和具体的构型方法，所以，与规则形网架相比，非规则形网架的构型更具难度。 我国对非规则形网架的研究较少，上世纪八十年代，我国曾开展过对此类网架的研究，但未获结果而中止。近年又有学者对非规则形网架开展了研究，取得了新的进展。但是，只研究得到了32、42、72、122、252、272、482多面体的构型数据，即网架的节点位置、杆件长度、角度等，而未进行三维建模验证。本小组根据文献的多面体网架的构型数据，进行了三维计算机仿真验证，发现在基元的有些六边形之间有缝隙，这是无法加工制造的，我们并就此与文献的作者进行了两次面对面的商榷和交流，表明缝隙是存在的。 据本小组查阅资料情况，目前我国还不具备设计制造非规则网架的能力，主要原因是不掌握这种非规则网架的构型理论和方法。 本小组基于凸多边形欧拉定理，分析了非规则球形网架的构型规律，得到了构型原理和构型方法，给出了相关计算公式和计算方法，并实现了三维计算机可视化建模，从而可进行网架构型的拓扑检查和各种参数的定量检验，由网架的三维模型还可为网架的结构分析和加工制造快速提供所需数据。 基于上述理论和方法，本小组还完成了180、240、440面体三种三角形非规则多面体和42、122、272面体等三种六边形非规则多面体的构型，并制作了180面体和240面体的纸质和有机玻璃模型，还初步对三种三角形非规则网架的力学性能进行了有限元分析。 本文虽然仅研究了非规则网架的构型理论和方法，因为这是制造非规则网架的第一步关键问题，并且取得了从构型理论、计算方法和三维建模一套完整的实用性成果，所以本研究具有理论意义和工程应用价值。
