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1、隨著人們對(duì)建筑美學(xué)的不斷追求、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)水平的日益提高以及施工技術(shù)的逐步完善,空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中較為常見(jiàn)的規(guī)則曲面造型,如柱面、球面、橢球面,逐漸無(wú)法滿足日益發(fā)展的建筑表現(xiàn)要求。而自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)憑借其新穎獨(dú)特的造型和強(qiáng)大的視覺(jué)表現(xiàn)力,不斷應(yīng)用于劇院商場(chǎng)、體育場(chǎng)館、交通樞紐等地標(biāo)性建筑,越來(lái)越受到建筑師的青睞。
由于自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜,富于變化,在傳統(tǒng)的規(guī)則曲面中采用的桿件布置方法面對(duì)這類(lèi)曲面已經(jīng)捉襟見(jiàn)肘,因此如何快速高
2、效地為建筑師的曲面提供優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格劃分方案是該類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題;同時(shí),網(wǎng)格的均勻性優(yōu)化和基于力學(xué)性能的研究也是自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題。本文針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行初步研究,并取得了相應(yīng)成果。
網(wǎng)格劃分針對(duì)建筑師提供的曲面模型進(jìn)行,在自由曲面形態(tài)創(chuàng)建領(lǐng)域,NURBS逐漸成為主流的造型方法。NURBS作為強(qiáng)大的幾何設(shè)計(jì)工具,為任意曲面提供了一種統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá),并通過(guò)控制點(diǎn)、權(quán)因子、節(jié)點(diǎn)矢量、階次等信息實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面的形狀控制。本文
3、首先介紹NURBS參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本原理,并對(duì)其各項(xiàng)控制參數(shù)的物理意義進(jìn)行說(shuō)明。
針對(duì)NURBS表達(dá)的自由曲面,本文提出一種自動(dòng)化的網(wǎng)格劃分方法——自定義單元法。該方法的網(wǎng)格劃分在參數(shù)域進(jìn)行,以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為對(duì)象,以“代”為整體進(jìn)行節(jié)點(diǎn)推進(jìn)。首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)的演化規(guī)律進(jìn)行網(wǎng)格單元自定義,在節(jié)點(diǎn)推進(jìn)過(guò)程中根據(jù)曲面特征進(jìn)行單元選擇生成下代節(jié)點(diǎn),自適應(yīng)曲面尺寸變化,將每一推進(jìn)步單元“組裝”,建立網(wǎng)格拓?fù)涞膮?shù)化表達(dá);采用黎曼度量表征單元節(jié)點(diǎn)參
4、數(shù)距離,確定節(jié)點(diǎn)參數(shù)坐標(biāo),適應(yīng)曲面曲率特征;最后,參數(shù)網(wǎng)格映射形成空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。本研究基于MATLAB編制網(wǎng)格劃分及可視化源程序,并通過(guò)算例驗(yàn)證了自定義單元方法在自由曲面網(wǎng)格劃分中的有效性和通用性。
自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,無(wú)論是采用人工劃分的方式,還是采用自動(dòng)劃分,初始的網(wǎng)格劃分方案均較難確保網(wǎng)格的均勻性,往往需要進(jìn)行進(jìn)一步的均勻性優(yōu)化。本文采用Rhinoceros軟件平臺(tái),以桿長(zhǎng)方差最小為優(yōu)化目標(biāo),編制自動(dòng)化網(wǎng)格均勻性優(yōu)化
5、程序。該程序?qū)⒖臻g曲面網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為參數(shù)網(wǎng)格,從而對(duì)參數(shù)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)調(diào)整,搜索參數(shù)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)參數(shù)坐標(biāo),最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)網(wǎng)格優(yōu)化,得到均勻性更好的空間網(wǎng)格。
當(dāng)前的自由曲面網(wǎng)格設(shè)計(jì)研究中,更多是從建筑的美學(xué)要求和視覺(jué)效果出發(fā),對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)合理性研究有待深入。結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能直接決定了結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性,自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究同樣是自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題。本研究基于大型通用有限元分析軟件ANSYS,從結(jié)構(gòu)的靜
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