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基本信息
- 項目名稱：
- 非規(guī)則球形網(wǎng)架構(gòu)型原理與方法及其力學(xué)性能數(shù)值模擬
- 小類：
- 機械與控制
- 簡介：
- 非規(guī)則球形網(wǎng)架以其優(yōu)良的電磁性能和力學(xué)性能，可廣泛應(yīng)用于航空、氣象通訊設(shè)備保護(hù)（比如天線罩）及大跨度建筑等領(lǐng)域，但該類網(wǎng)架在國內(nèi)的理論研究幾乎沒有。本文基于多面體網(wǎng)架拓?fù)潢P(guān)系及構(gòu)型特點，初步總結(jié)了這種網(wǎng)架的構(gòu)型理論和關(guān)鍵技術(shù)，并提供該網(wǎng)架的設(shè)計參數(shù)，利用計算機對三種非規(guī)則三角形網(wǎng)架，在參數(shù)相同條件下的變形和應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬和對比分析，驗證構(gòu)型理論的可行性和正確性。
- 詳細(xì)介紹：
- 非規(guī)則球形網(wǎng)架力學(xué)性能和電磁性能優(yōu)越，在國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、氣象通訊設(shè)備保護(hù)（比如天線罩）及大跨度建筑等領(lǐng)域，但目前我國還沒有自己設(shè)計和制造的這種結(jié)構(gòu)，其中主要原因就是我國還沒有掌握這種網(wǎng)架構(gòu)型設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)、構(gòu)型理論和設(shè)計方法，本文對這種非規(guī)則球形網(wǎng)架的構(gòu)型設(shè)計進(jìn)行了初步研究。 本論文完成的主要工作： （1）總結(jié)了非規(guī)則網(wǎng)架的構(gòu)型理論和關(guān)鍵技術(shù)，即基元中心72度旋轉(zhuǎn)對稱性、基元120度旋轉(zhuǎn)對稱性、以及12個五邊形分別旋轉(zhuǎn)一定的角度是構(gòu)造這種特殊結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵方法。 （2）基于多面體網(wǎng)架拓?fù)潢P(guān)系及構(gòu)型特點，推導(dǎo)了三角形多面體和六邊形多面體網(wǎng)架的構(gòu)型計算公式，如非規(guī)則旋轉(zhuǎn)角、節(jié)點坐標(biāo)、邊長等，對單獨的含三角函數(shù)的方程采用解析方法求解，對含三角函數(shù)的方程組采用MATLAB軟件求解。 （3）采用ANSYS的二次開發(fā)功能，開發(fā)了兩種網(wǎng)架的三維計算機可視化建模專用程序。通過球形網(wǎng)架的三維可視化模型，從圖形上檢查桿件的總體布局是否合理、基元與基元之間是否有間隙或重疊，并對節(jié)點坐標(biāo)、桿件長度、桿件之間的各種角度進(jìn)行了精確檢驗（精確到10位有效數(shù)字）。 （4）采用有限元數(shù)值模擬方法，對三種非規(guī)則三角形網(wǎng)架在相同荷載和約束條件下的變形和應(yīng)力進(jìn)行了對比分析。 （5）制作了兩種網(wǎng)架的紙質(zhì)模型和有機玻璃模型。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：研究基于歐拉定理的非規(guī)則任意多邊形球形網(wǎng)架的構(gòu)型理論和方法，獲得該網(wǎng)架設(shè)計的整套設(shè)計方法、計算公式，并能夠提供該網(wǎng)架的設(shè)計參數(shù)。 思路：1、分析研究非規(guī)則網(wǎng)架的構(gòu)型特點，總結(jié)網(wǎng)架構(gòu)型規(guī)律、提煉關(guān)鍵技術(shù)；2、推導(dǎo)三角形和六邊形多面體網(wǎng)架的構(gòu)型計算公式；3、根據(jù)構(gòu)型計算公式，采用ANSYS的二次開發(fā)功能，實現(xiàn)非規(guī)則三角形和六邊形多面體網(wǎng)架的計算機可視化建模，以便定量地檢驗所設(shè)計網(wǎng)架的正確性。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨特之處
- 采用理論推導(dǎo)、計算機數(shù)值求解和三維計算機圖形可視化相結(jié)合的方法，對非規(guī)則球形網(wǎng)架構(gòu)型進(jìn)行研究，取得了可用于該球形網(wǎng)架構(gòu)型設(shè)計的理論、方法、計算公式，并實現(xiàn)了網(wǎng)架三維計算機可視化，所以，采用的技術(shù)路線科學(xué)合理，研究方法和手段先進(jìn)。 論文內(nèi)容包括理論推導(dǎo)、超越非線性方程組數(shù)值求解、三維可視化，并可提供網(wǎng)架設(shè)計和有限元力學(xué)分析用的具體數(shù)據(jù)，所以，理論性、系統(tǒng)性、完整性和實用性是本論文的獨到之處。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 非規(guī)則球形網(wǎng)架以其良好的電磁性能、造型美觀、易建造等優(yōu)點，早在30年前國外就已經(jīng)開始應(yīng)用于軍事和民用電子通訊設(shè)備（如雷達(dá)）的防護(hù)設(shè)備。受限于對非規(guī)則形網(wǎng)架的構(gòu)型理論和方法，我國至今不具備設(shè)計制造該種網(wǎng)架的能力。 本文研究了非規(guī)則網(wǎng)架的構(gòu)型理論和方法，因為這是制造非規(guī)則形網(wǎng)架的第一步關(guān)鍵問題，并且取得了從構(gòu)型理論、計算方法和三維建模一套完整的成果，所以本研究具有理論意義和工程應(yīng)用價值。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 球形網(wǎng)架基于其圓球外形和桿件承擔(dān)荷載的特點，使其具有良好的承載能力，在工程結(jié)構(gòu)中常被采用。工程中的球形網(wǎng)架構(gòu)型，桿件布局多種多樣，但是，總體上來說都有沿徑向線的對稱性和沿環(huán)向線的規(guī)律性，這樣構(gòu)型相對來說比較容易實現(xiàn)。然而在某些特殊領(lǐng)域，為了滿足某種特殊要求，就必須研究出可避免這種對稱性和規(guī)律性的非規(guī)則球形網(wǎng)架，這也就使得這種球形網(wǎng)架的構(gòu)型難度增大。我國目前還沒有能力自己設(shè)計和制造的這種結(jié)構(gòu)，其中主要原因就是我國還沒有掌握這種網(wǎng)架構(gòu)型設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)、構(gòu)型理論和設(shè)計方法，本文對這種非規(guī)則球形網(wǎng)架的構(gòu)型設(shè)計理論和方法進(jìn)行了初步研究。 本文基于多面體網(wǎng)架拓?fù)潢P(guān)系及構(gòu)型特點，總結(jié)了這種網(wǎng)架的構(gòu)型理論和關(guān)鍵技術(shù)，然后推導(dǎo)了三角形多面體和六邊形多面體網(wǎng)架的構(gòu)型計算公式。根據(jù)構(gòu)型計算公式，采用ANSYS的二次開發(fā)功能，成功地實現(xiàn)了非規(guī)則三角形和六邊形多面體網(wǎng)架的三維計算機可視化建模，并制作了兩種實物網(wǎng)架模型：紙質(zhì)模型和有機玻璃模型。三維計算機可視化模型和實物模型驗證了本文的構(gòu)型理論和計算公式是正確、可行的。采用有限元數(shù)值模擬方法，對三種非規(guī)則三角形網(wǎng)架，在參數(shù)相同條件下的變形和應(yīng)力進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，網(wǎng)架的最大豎向位移、桿件內(nèi)力和應(yīng)力隨網(wǎng)架面數(shù)是變化的。
獲獎情況
- 1、論文《非規(guī)則球形網(wǎng)殼力學(xué)性能數(shù)值模擬》已發(fā)表于《現(xiàn)代物業(yè)》，2011年第10卷第6期（總第188期）。 2、論文《新型糧倉屋蓋的構(gòu)建和力學(xué)性能研究》已發(fā)表于《商品與質(zhì)量》，2011年6月。 3、論文《一種新型筒倉屋蓋力學(xué)性能研究》已被我校校報（自然科學(xué)版）錄用。 4、獲省第九屆挑戰(zhàn)杯特等獎。 5、本文獲校級評選一等獎。
鑒定結(jié)果
- 已由教育部科技查新工作站鑒定。
參考文獻(xiàn)
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同類課題研究水平概述
- 網(wǎng)架大體上可分為兩類，即規(guī)則型網(wǎng)架和非規(guī)則形網(wǎng)架，規(guī)則形網(wǎng)架是指其構(gòu)型沿徑向線具有對稱性和沿環(huán)向線具有規(guī)律性，而與規(guī)則形網(wǎng)架相反，當(dāng)網(wǎng)架用作民用（民航通信、天氣預(yù)報等）和軍用的電子通訊設(shè)備的防護(hù)設(shè)備時，為了滿足電磁性能的要求，就是必須避免這種構(gòu)型上的規(guī)則性和規(guī)律性，即需要非規(guī)則形網(wǎng)架。 從字面上看非規(guī)則可以理解為“亂”，實際上是“亂”而有序，即非規(guī)則的構(gòu)型同樣是有規(guī)律性的，并有相應(yīng)的構(gòu)型理論和方法。這就要基于凸多面體的歐拉定理，從“亂”中研究其構(gòu)型規(guī)律、構(gòu)型理論和具體的構(gòu)型方法，所以，與規(guī)則形網(wǎng)架相比，非規(guī)則形網(wǎng)架的構(gòu)型更具難度。 我國對非規(guī)則形網(wǎng)架的研究較少，上世紀(jì)八十年代，我國曾開展過對此類網(wǎng)架的研究，但未獲結(jié)果而中止。近年又有學(xué)者對非規(guī)則形網(wǎng)架開展了研究，取得了新的進(jìn)展。但是，只研究得到了32、42、72、122、252、272、482多面體的構(gòu)型數(shù)據(jù)，即網(wǎng)架的節(jié)點位置、桿件長度、角度等，而未進(jìn)行三維建模驗證。本小組根據(jù)文獻(xiàn)的多面體網(wǎng)架的構(gòu)型數(shù)據(jù)，進(jìn)行了三維計算機仿真驗證，發(fā)現(xiàn)在基元的有些六邊形之間有縫隙，這是無法加工制造的，我們并就此與文獻(xiàn)的作者進(jìn)行了兩次面對面的商榷和交流，表明縫隙是存在的。 據(jù)本小組查閱資料情況，目前我國還不具備設(shè)計制造非規(guī)則網(wǎng)架的能力，主要原因是不掌握這種非規(guī)則網(wǎng)架的構(gòu)型理論和方法。 本小組基于凸多邊形歐拉定理，分析了非規(guī)則球形網(wǎng)架的構(gòu)型規(guī)律，得到了構(gòu)型原理和構(gòu)型方法，給出了相關(guān)計算公式和計算方法，并實現(xiàn)了三維計算機可視化建模，從而可進(jìn)行網(wǎng)架構(gòu)型的拓?fù)錂z查和各種參數(shù)的定量檢驗，由網(wǎng)架的三維模型還可為網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)分析和加工制造快速提供所需數(shù)據(jù)。 基于上述理論和方法，本小組還完成了180、240、440面體三種三角形非規(guī)則多面體和42、122、272面體等三種六邊形非規(guī)則多面體的構(gòu)型，并制作了180面體和240面體的紙質(zhì)和有機玻璃模型，還初步對三種三角形非規(guī)則網(wǎng)架的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元分析。 本文雖然僅研究了非規(guī)則網(wǎng)架的構(gòu)型理論和方法，因為這是制造非規(guī)則網(wǎng)架的第一步關(guān)鍵問題，并且取得了從構(gòu)型理論、計算方法和三維建模一套完整的實用性成果，所以本研究具有理論意義和工程應(yīng)用價值。
