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基于遗传算法的网壳结构形态创构方法研究.pdf 91页
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基于遗传算法的网壳结构形态创构方法研究
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
作为一种重要的建筑结构形式，网壳结构因其受力合理，造型优美而在空间
结构领域得到广泛应用，但存在着结构形式单一，网格划分固定的缺陷，因此，
通过形态创构得到形式新颖，受力合理的网壳结构是有意义的。
本论文基于遗传算法对网壳结构进行了形态创构方面的研究。介绍了遗传算
法的基本原理，建立了基于遗传算法的网壳结构形态创构的思路：首先，根据结
构平面投影建立合适的基结构，然后，对基结构进行拓扑、形状和截面优化，得
到新颖合理的结构形式。对拓扑优化，以稳定的三角单元为编码，通过对三角编
码的取舍进行杆件的组合，形成不同的杆件连接方式。对形状优化，以结构节点
为操作对象，结构中每个节点选择 z 方向的一系列离散坐标值，进行节点竖向坐
标的改变，从而实现结构的形状优化；对截面优化，通过建立包含一组不同截面
的截面表，结构中的每根杆件从截面表中选择截面。对不同的变量采用不同的编
码形式，其中拓扑变量采用二进制0-1 编码,节点坐标变量和截面变量采用整数编
本文分别以结构质量最小和结构质量外力功的乘积最小为目标，以平面投影
为正方形和正六边形结构为例，通过拓扑截面优化和拓扑截面形状优化进行形态
创构，荷载情况分别为竖向集中荷载和竖向均布荷载，通过惩罚函数的形式考虑
了杆件强度、杆件长细比、压弯杆件的稳定性、结构整体位移等约束条件。
在优化过程中提出了保证拓扑结构完整性及合理分配均布荷载的方法。结构
完整性指拓扑编码生成结构时保证生成的是结构而不是机构，结构中没有孤立的
杆件群，以避免结构刚度矩阵奇异。在均布荷载作用时，需要将荷载分配到适当
的节点上，采用的方法是将结构平面投影划分为许多相同的足够小的荷载格子，
以每个小格子的荷载为基本单元，将其分配到距离荷载格子形心最近的节点上。
同时，考虑到实际结构评价的多样性，进行了多目标结构优化实现形态创构
的尝试，以结构质量最小和结构外力功最小为目标，建立结构优化设计的两目标
模型，运用改进的SPEA 方法，对集中荷载和均布荷载作用下平面投影为正方形的
结构进行了形态创构，分别得到了一系列较好的Pareto 解。
关键词：形态创构；网壳结构；遗传算法；多目标优化；Pareto 解
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
As a kind of layout plan , reticulated shell structures are widely applied in the filed
of spatial
structures due
mechanical behavior and beautiful appearance,
still lie the defect in terms of simple structural forms and fixed mesh.Thus, it
significance
reticulated
mechanical
by structural
morphogenesis
reticulated
shells based
algorithm.
introduced
morphogenesis
reticulated
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