自适应聚合式张拉整体结构形态分析与智能调控研究

The tensegrity structure is a kind of full-tension flexible cable-strut system with properties of lightweight and adjustability, the structural stiffness is formed and improved with the help of its initial self-balanced prestresses, and is proved to have strong vitality and good engineering application prospects. The clustered tensegrity is a more efficient structural system that is developed on the base of tensegrity, its mechanical properties are highly related to the geometrical shape, therefore, the transformation and control of configuration are of great significance to the realization of structural functions. According to the forming mechanism of clustered tensegrity structures, this project intends to obtain reasonable structural forms that can meet functional and controllable requirements, and then build an adaptive control model of structural morphology. By establishing the adaptive control system on the base of intelligent actuation, functions of intelligent learning and evaluation of the structural system on account of historical working conditions can be realized, and the adaptive smart control technology of structural morphology can be acquired. The purpose of this project is to introduce the clustered tensegrity structure into the road of intelligent development with the aim of improving structural performance and control efficiency, and to make an attempt in breaking the limitation that structures lack active responses to external environment, and to establish and improve the theory and design method of adaptive structures in full-process analysis of structural morphology and intelligent regulation. It has important theoretical significance and engineering value in the successful construction and safe service of clustered tensegrity structures.

张拉整体结构是一种轻质、可调的全张力柔性索杆体系，借助体内自平衡预应力形成和改善结构刚度，具有很强的生命力和良好的工程应用前景。聚合式张拉整体结构是在此基础上发展的一种更为高效的结构体系，其力学性质与几何外形高度相关，因此结构形态的转换和控制对实现其使用功能具有重要意义。本项目拟根据聚合式张拉整体结构成形机理，获取满足功能性和可控性需求的合理结构形式，以此建立结构形态自适应调控模型，进而通过搭建基于智能驱动的形态调控系统，实现结构体系基于历史工况的智能学习和评估功能，获取结构形态的自适应智能调控技术。本项目的开展旨在将聚合式张拉整体结构引入智能化发展的道路，力求在改善结构性能、提高调控效率的目标下，做出突破建筑结构对环境缺乏主动应变能力这一局限的尝试，建立并完善自适应结构形态分析及智能调控全过程分析理论与设计方法，对自适应聚合式张拉整体结构的成功建设和安全服役具有重要的理论意义和工程价值。

张拉整体结构作为索杆张力结构的典型代表，凭借其构形独特、质量轻盈、覆盖宽广、形态可调等特点受到了国内外学者和工程师的广泛关注。聚合式张拉整体则是在此基础上发展的一类更为高效的结构体系，但其超强的几何非线性导致了其对外界环境的高敏感性，从而决定了这一结构体系在应用时必然受到正常使用极限状态的控制，同时也使其在复杂荷载作用下可能出现因刚度削弱而溃坏的情况。因此，必须借助一定的机制抵消或消除非保守性带来的削弱作用，才能充分利用其自适应的特点实现特定的功能或性能。本项目将利用聚合式张拉整体结构的特有属性，在现有的结构控制与结构检（监）测的理论基础上，引入学习、思考、决策等人工智能机制，研究开发了一种可以通过连续改变结构几何形态来保证结构安全性与功能要求的自适应聚合式张拉整体智能结构体系。本项目首先根据聚合式张拉整体结构几何形态和力学特性之间的关系，阐明其结构体系的成形机理，提出了一种基于方案矩阵编制算法的张拉整体结构拓扑找形方法，为探寻新型张拉整体结构提供了新的思路。在此基础上，提出了一种融合精英策略的天牛须遗传混合算法，实现了结构体系的初始预应力优化。其次，构建了一种基于向量式结构力学理论的张拉整体结构展开驱动方式，实现了结构体系展开过程路径的跟踪及预测。与此同时，利用快速模型预测控制策略和人工鱼群算法对控制策略进行优化和制定，大幅降低了聚合式张拉整体结构在复杂荷载工况下的振动。最后，提出了一种基于数据驱动的天牛须-遗传杂交算法，引入了启发规则以提升算法的运行效率，并用此方法对张拉整体结构主动单元的驱动策略进行优化，实现了结构与体系的智能化调控。本研究的开展将自适应聚合式张拉整体结构引入了智能化发展的道路，建立并完善了智能结构形态调控全过程分析理论与设计方法，提升了智能结构体系的理论研究水平和自适应张拉整体结构的应用技术水平。