CN108986219A - 板锥网壳结构的节点连元成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑行业的空间结构成型技术,为板锥网壳结构的节点连元成型方法,首先输入板锥网壳结构的尺寸控制参数;根据板锥网壳结构的旋转对称特性,进行区域划分,分成对称的若干等份;然后剖分区域的边界,根据给定的构建密度在边界上布置节点,再生成内部节点,作为区域的节点坐标;根据网壳结构的区域划分形式,连接相应的节点生成单元,先生成整个下弦节点,然后通过下弦节点计算出上弦节点,连接相关上、下弦节点得到弦杆和腹板;利用网壳结构的旋转对称特性,生成整个网壳结构的节点坐标和单元。本发明减少了设计者们在结构数学模型的建立和数据准备方面的工作量,易于检查和修改模型,为板锥网壳结构的分析计算和设计施工提供依据。
Description
技术领域
本发明属于建筑行业的空间结构成型技术,具体为板锥网壳结构的节点连元成型方法。
背景技术
1954年,D.Richter利用Fuller的短程线分割,得出一种与基本的Fuller穹顶显然不同的体系——Kaiser铝质应力蒙皮穹顶,这种穹顶将骨架与蒙皮合成一个统一的三角锥结构单元,获得了利用蒙皮结构强度的优点。整个设想很大程度上是建立在飞机机翼设计原理的基础上的。Kaiser铝公司曾采用这种形式建造了大量的穹顶用于覆盖学校、银行、会议厅等建筑。但该结构中金属板片强度储备过大,造价过高,不适合中国国情。在这种Kaiser铝质应力蒙皮穹顶的基础上,本申请发明人通过创新发展而首次提出了板锥网壳结构;板锥网壳结构如今是建筑行业内常见的一种空间形式。板锥网壳结构是将三角形板片组成锥体单元,按空间网壳结构的曲面形状将锥体单元通过底边拼接成整体,各锥顶再用杆件有规律地相互连接而成,如图1所示,包括上弦杆1、下弦杆2及腹板3。板锥网壳结构将常规双层网壳结构的腹杆及下弦杆以板锥单元取代,是一种半连续化、半格构化的新型空间结构,同时也是一种特殊形式的应力蒙皮结构和板片空间结构。常见的板锥网壳结构有凯威特型板锥球面网壳结构、四角锥型板锥柱面网壳结构等。
板锥网壳结构形式多样,可采用各种形式的双层网壳(架)结构的曲面形状和网格划分,锥体单元可以是三角锥单元,也可以是四角锥单元或者六角锥单元;在将锥体单元组合成整体结构时,锥体单元可以正放,也可以倒放。锥体单元正放时,板材经过防水处理,可以形成结构暴露的屋盖,锥体单元倒放时,锥底要铺上屋面板以形成屋面。只有三角形、正方形、矩形及正六边形锥底的锥体单元,才能通过其底边没有间隙地连接起来,作为屋面覆盖一个给定的平面。锥体单元的板片可采用铝合金板、压型钢板,也可采用钢纤维增强复合板、迭层竹胶复合板、钢丝网水泥板、GFRP板、GFRC板等各种轻质板材和复合材料板材。板锥网壳结构将常规双层网壳结构的腹杆及下弦杆以锥体单元取代,是一种半连续化、半格构化的新型空间结构,同时也是一种特殊形式的应力蒙皮结构和板片空间结构。
板锥网壳结构不仅具有网格结构生产系列化、工业化的优点,而且扩大了一些能工业化生产的新型材料在结构中的应用范围。板锥网壳结构受力性能合理,可以充分利用板材的强度和刚度,发挥材料的最大效用,其承载能力和整体刚度均明显优于双层网格结构。经过分析,板锥网壳结构用钢量指标比双层网壳结构节省30%以上,如果采用非金属板材则用钢量下降的比例更大。板锥网壳结构同时集承重、围护、装饰为一体,具有“轻质、高强”的优点,降低了材料消耗和结构的综合造价,具有良好的技术经济效益。由于板锥网壳结构同时应用了“合理的结构布置”和“高值比强度结构材料”原则,故其结构性能和技术经济指标要比组合网壳和双层网壳更为优越。经初步分析,板锥网壳结构比双层网壳结构降低造价约25%以上。另外,板锥网壳结构巧妙地融建筑与结构为一体,形体新颖特别,并可做到结构暴露,具有鲜明的建筑视觉效果。由于板锥网壳结构具有以上的诸多优点,可广泛应用于展览大厅、会议厅以及体育场馆等各种大跨度建筑中,是一种适合中国国情的新型空间结构,但在国内外其理论研究还很不充分,试验研究及实际应用在国内均为空白,系统研究、工程试点和推广应用这种新型结构具有重要的理论和现实意义。
对于现有普通网壳结构,目前已找出这些结构的特有组成规律,并利用计算机程序自动成型。然而板锥网壳结构是以腹板代替普通双层网壳结构腹杆而创造出来的,结构的组成和拓扑关系更为复杂,单元及节点数量巨大,除了杆件单元外,还有板壳单元。已有的成型技术无法生成板锥网壳结构模型。此外,由于组成板锥网壳结构的板片弹性模量较低,平面内刚度较大而抗弯刚度较低,要使结构跨越较大的跨度,具备一定的承载能力和整体刚度,就要充分求助结构的几何构造方式,选用合理的结构形式。
发明内容
为了解决现有技术所存在的问题,本发明提出板锥网壳结构的节点连元成型方法,可以对板锥网壳结构自动成型,减少了设计者们在结构数学模型的建立和数据准备方面的工作量,并且易于检查和修改模型,为板锥网壳结构的分析计算和设计施工提供依据。
本发明采用如下技术方案来实现:板锥网壳结构的节点连元成型方法,包括以下步骤:
S1、输入板锥网壳结构的尺寸控制参数;
S2、根据板锥网壳结构的旋转对称特性,对板锥网壳结构进行区域划分,分成对称的若干等份;然后剖分区域的边界,根据给定的构建密度在边界上布置节点,再生成内部节点,作为区域的节点坐标;
S3、根据板锥网壳结构的区域划分形式,连接相应的节点生成单元,先生成整个下弦节点,然后通过下弦节点计算出上弦节点,连接相关上、下弦节点得到弦杆和腹板;
S4、利用板锥网壳结构的旋转对称特性,生成整个板锥网壳结构的节点坐标和单元。
优选地,所述步骤S2采用扫描线方法,用一组按一定规律构成的扫描线切割区域,得到一批位于区域内部的线段,然后分别在这些线段上布置节点,生成内部节点。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
为了便于在研究和设计中形成板锥网壳结构的数学模型,本发明对于常用的板锥球面网壳和板锥柱面网壳的结构成型、网格划分和计算数据的生成分别编制了相应的程序,这样就大大减少了设计者们在结构数学模型的建立和数据准备方面的工作量,并且易于检查和修改模型,方便进行板锥网壳结构的研究和设计。
附图说明
图1是板锥网壳的结构示意图;
图2是本发明节点连元成型方法的流程图;
图3是四角锥型柱面板锥网壳结构节点分类、编号示意图;
图4是板锥圆柱面网壳的侧面示意图;
图5是凯威特型板锥球面网壳结构俯视图;
图6是凯威特型板锥球面网壳的节点编号示意图,其中a为凯威特型板锥球面网壳的一个扇区示意图,b为对一个扇区内的节点编号示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明采用节点连元法自动生成板锥网壳结构的网格、节点和单元,自动生成描述板锥网壳结构节点和单元的信息及数据结构,自动生成描述板锥网壳结构边界条件的信息和荷载向量等数据结构,从而对板锥网壳结构进行自动成型。
节点连元法将剖分过程分为节点生成和单元生成两个独立的步骤,其中网格结构内部节点的生成是网格剖分的最重要也是最复杂的一步。如图2所示,本发明节点连元成型方法包括如下步骤:
S1、板锥网壳结构前处理程序采用参数化设计原理,对于每一种空间网格形式都可以通过改变具体的控制参数来变异出多种网格形式。因此本发明节点连元成型方法中,首先是输入板锥网壳结构的尺寸控制参数。
S2、在初始预处理过程中,首先根据板锥网壳结构的旋转对称特性,对板锥网壳结构进行区域划分,分成对称的若干等份(例如N等份);然后剖分区域的边界,根据给定的构建密度在边界上布置节点,然后生成内部节点,作为区域(即1/N网格)的节点坐标。具体实施时,可采用扫描线方法,即用一组按一定规律构成的扫描线切割区域,得到一批位于区域内部的线段,然后分别在这些线段上布置节点,生成内部节点。
S3、有了边界和内部节点后,按一定规律连线、布置区域内的空间网格。本步骤可以根据板锥网壳结构的区域划分形式,连接相应的节点生成1/N网格的单元,生成弦杆和腹板:首先生成整个下弦节点,然后通过下弦节点计算出上弦节点,连接相关上、下弦节点得到弦杆和腹板。
S4、利用板锥网壳结构的旋转对称特性,生成整个板锥网壳结构的节点坐标和单元;选择所需输出格式,输出整个板锥网壳结构的节点坐标和单元。
下面分别以两类典型的板锥网壳结构,即板锥柱面网壳结构、凯威特型板锥球面网壳结构为例,对本发明的成型方法做进一步详细的描述。
1.板锥柱面网壳结构
板锥柱面网壳结构是基于双层圆柱面网壳形成的,它可以通过定义跨度Span、矢高High、长度Length、网壳厚度Thickness、跨度方向等分的份数Nx及长度方向等分的份数Ny这几个参数确定其几何形态。
如图3所示,为四角锥型板锥柱面网壳结构的俯视图,程序设计时把下层节点记为第一组节点A,假设其数据保存在数组A()中,把上层节点记为第二组节点C,假设其数据保存在数组C()中。如果网壳结构在跨度方向等分Nx份、长度方向等分Ny份,则第一组节点共有Nx+1列和Ny+1行,节点都可以用列号i和行号j表示成A(i,j),第二组节点共有Nx列和Ny行,节点都可以用列号i和行号j表示成C(i,j)。一般情况下,圆柱面网壳结构在跨度方向上按弧等分原则布置节点,在长度方向同样按等分原则布置节点。如图4,假设坐标原点O在圆柱面的回转轴上,圆弧半径为R,圆心角为2θ,则节点坐标可由下面两式计算得到:
由图3可以看出,网壳结构的下弦杆和上弦杆分别由第一组节点A()和第二组节点C()首尾相连而成,所有腹板都是由第二组节点C()与其相邻的四个第一组节点A()中的两个连接而成。由图可知第二组节点C(i,j)与第一组节点A(i,j)、A(i+1,j)、A(i,j+1)和A(i+1,j+1)相邻,因此生成网壳腹板的过程就是按行列循环第二组节点,然后连接与其相邻的第一组节点。
2.凯威特型板锥球面网壳结构
凯威特型板锥球面网壳结构是由n根通常的径向杆先将球面分为n个对称的扇形曲面(扇区),然后在每个扇形曲面内,由纬向杆系和斜向杆系将此扇形曲面划分为大小比较均匀的三角形网格,如图5所示(图中n=6)。
凯威特型板锥球面网壳结构可以通过定义跨度Span、矢高High、网壳厚度Th、扇区个数N及通长肋等分的份数Nx这几个参数确定其几何形态。
由于凯威特型板锥球面网壳结构各扇区旋转对称,所以只需计算一个扇区的节点坐标,生成一个扇区的板件和杆件后,通过旋转的方法生成其他扇区的杆件和板件,杆件包括下弦杆、上弦杆,板件是三角形板。下层节点记为第一组节点,上层节点记为第二组节点,第一组节点的数据保存在数组A()中,第二组节点的数据保存在数组C()中。如图6中的a、b所示,网壳结构的下弦杆和上弦杆分别由第一组节点A和第二组节点C首尾相连而成,所有腹板都是由第二组节点C与其相邻的三个第一组节点A中的两个连接而成。
由图6,将节点依次进行编号,假设通长肋等分的份数为Nx,则每条肋上共有Nx+1个节点,凯威特型板锥球面网壳结构上的节点可以由一条肋上节点绕通过球心的竖向轴旋转得到,因此可以将扇区内节点分成Nx+1环节点,第i环第一个节点编号为i*(i-1)/2+1,最后一个节点编号为i*(i+1)/2。将坐标原点放置在球面的球心处,按球面坐标系计算节点坐标,由于网壳上每一环节点在球面上等分纬度角,每一环内节点在同一纬度上等分扇区对应的经度角,则第一组节点A()的坐标可以按下式计算:
凯威特型板锥球面网壳结构的弦杆由前一环的节点分别与下一环相邻的两个节点构成的三角形组成。由此将第一组节点A()连接并旋转扇区可得凯威特型球面板锥网壳的下弦节点坐标和下弦杆。
第二组节点C()的坐标按下式计算:
旋转扇区可得整个凯威特型板锥球面网壳结构的上弦节点坐标,连接第二组节点C()可得凯威特型板锥球面网壳结构的上弦杆。连接C(i)与A(i1)、A(i2)、A(i3)中的两个可得凯威特型板锥球面网壳结构的腹板。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.板锥网壳结构的节点连元成型方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、输入板锥网壳结构的尺寸控制参数;
S2、根据板锥网壳结构的旋转对称特性,对板锥网壳结构进行区域划分,分成对称的若干等份;然后剖分区域的边界,根据给定的构建密度在边界上布置节点,再生成内部节点,作为区域的节点坐标;
S3、根据板锥网壳结构的区域划分形式,连接相应的节点生成单元,先生成整个下弦节点,然后通过下弦节点计算出上弦节点,连接相关上、下弦节点得到弦杆和腹板;
S4、利用板锥网壳结构的旋转对称特性,生成整个板锥网壳结构的节点坐标和单元。
2.根据权利要求1所述的板锥网壳结构的节点连元成型方法,其特征在于,所述步骤S2采用扫描线方法,用一组按一定规律构成的扫描线切割区域,得到一批位于区域内部的线段,然后分别在这些线段上布置节点,生成内部节点。
3.根据权利要求1所述的板锥网壳结构的节点连元成型方法,其特征在于,所述板锥网壳结构为板锥柱面网壳结构,下层节点记为第一组节点,上层节点记为第二组节点,网壳结构在跨度方向等分Nx份、长度方向等分Ny份,第一组节点共有Nx+1列和Ny+1行,第二组节点共有Nx列和Ny行;网壳结构在跨度方向上按弧等分原则布置节点,在长度方向按等分原则布置节点;网壳结构的下弦杆和上弦杆分别由第一组节点和第二组节点首尾相连而成,所有腹板都由第二组节点与其相邻的四个第一组节点中的两个连接而成;腹板的生成过程为按行列循环第二组节点,然后连接与其相邻的第一组节点。
4.根据权利要求3所述的板锥网壳结构的节点连元成型方法,其特征在于,所述第一组节点的数据保存在数组A()中,第二组节点的数据保存在数组C()中,坐标原点O在圆柱面的回转轴上,圆弧半径为R,圆心角为2θ,则节点坐标由下面两式计算得到:
5.根据权利要求1所述的板锥网壳结构的节点连元成型方法,其特征在于,所述板锥网壳结构为凯威特型板锥球面网壳结构,由n根径向杆将球面分为n个对称的扇区;凯威特型板锥球面网壳结构的通长肋等分的份数为Nx,每条肋上共有Nx+1个节点,凯威特型板锥球面网壳结构上的节点由一条肋上节点绕通过球心的竖向轴旋转得到,将扇区内节点分成Nx+1环节点,第i环第一个节点编号为i*(i-1)/2+1,最后一个节点编号为i*(i+1)/2;下层节点记为第一组节点,上层节点记为第二组节点,第一组节点的数据保存在数组A()中,第二组节点的数据保存在数组C()中;将坐标原点放置在球面的球心处,按球面坐标系计算节点坐标,第一组节点的坐标按下式计算:
弦杆由前一环的节点分别与下一环相邻的两个节点构成的三角形组成;将第一组节点连接并旋转扇区,得到凯威特型板锥球面网壳结构的下弦节点坐标和下弦杆;
第二组节点C()的坐标按下式计算:
旋转扇区得到整个凯威特型板锥球面网壳结构的上弦节点坐标,连接第二组节点得到凯威特型板锥球面网壳结构的上弦杆;连接C(i)与A(i1)、A(i2)、A(i3)中的两个得到凯威特型板锥球面网壳结构的腹板。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181211 |
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