六边形网格网壳结构的多目标拓扑优化与力学性能研究

作     者：钟予彤 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：范峰;曹正罡

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：单层网壳 六边形网格 多目标优化 结构优化 

摘      要：单层网壳结构具有丰富多样的造型,能够适应各种类型的建筑外观设计,且力学性能优异,实用价值较高,为了提高结构的性能,许多学者利用计算机辅助以力学性能、经济性能、美观、施工难易程度等各种类型的优化目标提出了一系列单目标及多目标优化方法。随着科技的发展,网壳结构不应再局限于三角形或四边形网格,多边形网格结构的性能值得探索。六边形网格是自然界常见的一种构造形式,但目前其在网壳结构中的优化方法探究仍然较少,针对这一空缺,本文将从六边形网格结构的多目标优化方法与力学性能两方面展开研究,主要包括以下内容:(1)基于Rhino-grasshopper软件平台,编写了可以计算内角标准差平均值、杆长标准差的运算模块,并开发了前后处理程序,提出了一种解决不规则边缘曲面创构六边形网格的方法。在此基础上,利用遗传算法,以杆件截面尺寸、网格数量为优化变量,杆长标准差、内角标准差平均值、应变能、自重为优化目标,自主设计了可以对六边形网格的力学性能、几何质量、经济性能进行多目标拓扑优化的方法,进而得到优化后的Pareto最优解集。(2)利用多目标优化方法,选取了3种典型曲面、2种自由曲面和1个工程实际案例进行六边形网格结构拓扑优化,优化后的各项性能均有不同程度提升。利用有限元软件对其进行非线性结构分析后,结构的最大节点位移有所减少,极限承载力及强重比均得到提高,验证了多目标优化方法的有效性。针对优化前后六边形结构的性能差异,从力学角度和结构整体稳定性的角度进行力学性能分析,对其性能提升的原因进行了探讨。(3)对于多目标拓扑优化后的六边形网格结构,为使得材料利用更充分,以杆件长细比及弯曲应力大小作为筛选条件,提出了一种针对杆件截面的精准多目标优化方法,进而使得结构性能有所提高。(4)对六边形网格结构与传统网格结构的力学性能进行了探讨。针对相同曲面网格数量、自重相似的三角形网格、四边形网格开展了与六边形网格的力学性能对比分析,得到六边形网格与传统网格相比在受力机理、屈曲模态等方面的异同,并给出实际应用方面的建议。