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. . 科技通报第卷第期
. 年月
仿扇贝形体的网壳结构建模及造型优化方法
李娜,岑培超,罗尧治
.浙江大学空间结构研究中心,杭州;.广东省建筑设计研究院,广州
摘要:扇贝形体是大自然进化的产物,是符合力学机理的空间壳体。本文针对扇贝形曲面进行形态
仿生研究,应用计算机辅助几何设计中的双三次样条方法重构曲面造型,并结合空间网壳结构特点,
对曲面进行网格合理划分。同时,运用应变能最小原理,考察结构的整体力学性能,进行形体优化分
析,最终实现了仿扇贝形体的网壳结构快速建模。
关键词:结构工程;造型;扇贝形曲面;应变能;形体优化
中图分类号:. 文献标识码: 文章编号:———
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为符合力学原理:在同等厚度下,波浪状的几何
引言表面可大幅度提高壳体的抗压强度。
扇贝形曲面表现力十分丰富,兼具美感与
在海洋生物世界里有许多形态各异的贝刚度,很适于应用在大跨度空间结构领域,但它
壳,其中有一类是外壳呈波浪状起伏变化的深属于一类复杂的自由曲面,曲面描述非常困难,
海扇贝图,它们不仅外观美丽而且构造也极因而难于在实际工程中得到广泛应用。
收稿日期:——
基金项目:国家重大项目
作者简介:李娜一,女,山东济南人,博士研究生,主要方向:空间结构研究。
通讯作者:罗尧治一,男,浙江慈溪人,教授,博导,从事空间结构研究, ..。
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型优化,最终获得受力合理的网壳结构模型。
几何特征描述与构造曲面型值点阵
在结构的形体设计中,模仿扇贝形曲面时
结合空间结构自身的特点和力学机理,对其进
行抽象化与合理化,既保留其规律性的纹理特
点,又不失天然扇贝的韵味。文献归纳了呈
螺旋状的贝壳几何形态的基本特征,而文献
的作者则利用其基本特征实现了平面螺线型、
螺旋型以及双瓣型贝壳形状的数字建模。因
此,本文在对扇贝形曲面进行形态仿生时,首先
提取其基本的几何形态特征,以便构建出必要
的型值点阵。
. 基本的几何形态特征
扇贝形曲面基本的几何形态特征可描述
为:由底部基线、顶部基线和脊线共同组成,如
图所示。其中,底部基线和顶部基线决定了曲
图深海扇贝
。面的基本形状,而各脊线的弧度则决定了曲面
的径向弧度。因此,在底部基线和顶部基线确
在工程领域,传统上采用模线样板法表示
定的前提下,只需调节各脊线的弧度即可获得
和传递自由型曲线曲面的形状:即用一系列的
形态各异的曲面造型。
直线段手工模拟自由曲线,进而模拟自由曲面。
采用这种方法形成的自由曲面精度较低,所需
工作量大,且修改不方便。随着计算机辅助几
何设计的发展,样条方法的提出较成功地解决
了自由型曲线曲面的形状描述问题,成为形状
数学描述的主流方法之一。文献、中作
者首次将样条方法引入到空间结构的自由曲
面造型领域,构造出空间结构中常见的几何形
体并提出基于单元长度准则的网格划分思想。
文献在此基础上进行了优化和改进