基于线性规划的三棱柱张拉整体单元的优化控制研究

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张拉整体结构以其连续拉间断压的特性很好的反应了自然界的客观规律,也越来越受到结构设计师的关注与青睐。在张拉整体结构上安装作动器、传感器构造一种智能张拉整体结构,使张拉整体结构像人一样具有“生命”,能够主动对外界环境产生响应,利用作动器的变形改变杆件的长度来提高结构的刚度,并且使结构的受力最小,从某些方面来讲,比传统的增加材料用量或许更有意义。本文在三棱柱张拉整体单元中连接作动器,以杆件工作状态系数最小为目标,以作动器参数、关键节点位移限制为约束,构造基于线性规划的三棱柱张拉整体单元强度优化控制模型。通过求解此模型得到作动器的调节量从而实现结构的形状调整,使结构在给定约束条件下达到受力最合理。从不同工况、不同控制指标、不同作动器数量及布置情况下分析了三棱柱张拉整体单元的强度优化控制。本文还提出基于线性规划的位移控制优化模型。该模型以结构的位移最小为优化目标,以作动器的主动变形量为控制变量,以结构工作状态系数、节点位移控制指标、作动器的参数为约束条件。通过位移控制线性规划优化模型,研究了三棱柱张拉整体单元在不同工况下、不同作动器布置数量及布置情况下的优化控制效果。通过分析发现,在斜索和顶索同时装有作动器时的控制效果要优于单独在斜索中装有作动器或单独在顶索中装有作动器时;只有压杆装有作动器时的控制效果优于单独在斜索中装有作动器或单独在顶索中装有作动器时。本文研究了张拉整体结构的多目标静态控制,构建了基于线性规划的多目标控制模型,通过算例分析了张拉整体结构多目标控制的特征。通过算例分析发现,当考虑单一目标时,该指标达到最优之后,往往会使其他指标过大,这在工程实际中有时是不合理的。通过多目标的控制优化模型,虽然得到的各个指标和单目标相比不是最优,但是综合考虑各个指标的情况下却是最优的结果,是在各个指标中寻求一种平衡的结果。最后本文设计了一个具有主动单元的张拉整体结构模型进行试验研究,分析了位移控制优化结果,通过作动器改变主动单元的长度来考察结构形态的控制效果。通过试验表明,调节构件的长度可以实现结构的形态控制目标,试验结果与理论计算结果比较符合,验证了理论模型与方法的正确性与可行性。
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