(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211198605.7 (22)申请日 2022.09.29 (71)申请人 东南大学 地址 210096 江苏省南京市玄武区四牌楼 2 号 (72)发明人 陆金钰　许植胤　刘继磊　盘俊纬　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 专利代理师 王美章 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/16(2006.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 111/06(2020.01) (54)发明名称 一种环形张拉整体结构及优化方法 (57)摘要 本发明提供了一种环形张拉整体结构， 环形 张拉整体结构具有n个张拉整体单元， 呈环向串 接， 其中， n为偶数， 单个张拉整体单元包括： 3根 压杆， 3根压杆的任意两个端点均连接有一根拉 索， 张拉整体单元具有上底面与下底面两个底 面， 底面由三根压杆的同侧端点构成， 且每个底 面均垂直于环形张拉整体结构的圆环中轴线； 张 拉整体单元的结构通过确定三根压杆的6个端点 坐标确定， 张拉整体单元满足以下结构要求： 上 底面的正投影与下底面均为等边三角形， 上底面 与下底面互不平行、 不相交且存在夹角β； 相邻 张拉整体单元之间的上底面 或下底面相重合， 且 以该重合的面互为镜像对称设置。 本发明的结构 受力合理， 稳定性更好。 权利要求书3页 说明书7页 附图9页 CN 115422773 A 2022.12.02 CN 115422773 A 1.一种环形张拉整体结构， 所述环形张拉整体结构具有n个张拉整体单元， n个所述张 拉整体单元呈环向串接， 其中， n为偶数， 单个所述张拉整体单元包括： 3根压杆与12 根拉索， 其中， 3根所述压杆的任意两个端点均连接有一根拉索， 所述张拉整体单元具有 上底面与下 底面两个底面， 所述底面由三根所述压杆的同侧端点构成， 所述环形张拉整体结构由相邻 所述张拉整体单元之 间的压杆一一对接， 且每个底面均 垂直于所述环形张拉整体结构的圆 环中轴线； 其特征在于， 所述张拉整体单元的结构通过确定三根所述压杆的6个端点坐标确定， 所 述张拉整体单 元满足以下 结构要求： 所述上底面的正投影与所述下底面均为等边三角形， 所述上底面与下底面互不平行、 不相交且 存在夹角 β； 相邻所述张拉整体单元之间的上底面或下底面相重合， 且以该重合的面互为镜像对称 设置； 所述环形张拉整体结构的形状由组成张拉整体单元的5个参数唯一确定： 所述张拉整 体单元的高度H、 底面外接圆半径r、 下底面以中心O1为转动支点沿逆时针作水平转动的角 度α0、 上底面的正投影与下底面的相对旋转角度α 、 夹角 β； 环形张拉整体结构的内径跨度d， 所述张拉整体单 元满足以下约束条件： 同时满足三 根所述压杆不交叉； 所述夹角 β 为3 60°的因数， 且 满足n＝360°/β； 所述夹角 β 和底面外 接圆半径 r满足内径跨度d＝H /tanβ‑2r； 所述张拉整体单 元均能够满足压杆受压， 拉索受拉的条件。 2.基于权利要求1所述的一种环形张拉整体结构的优化方法， 其特征在于， 所述优化方 法包括以下步骤： S1， 设定下底面为等边三角形且位于X轴、 Y轴组成 的平面， 且中心O1为坐标轴原点， Y轴 指向环形张拉整体中心， X轴垂直于圆环中轴线所在平面， Z轴指向上底面中心O2； 对三根所述压杆的6个端点进行编号， 所述下底面的三个端点逆时针编号为A、 B、 C， 所 述上底面的三个端点逆时针编号 为D、 E、 F； 在参数H、 r、 α0、 α、 β 的变化范围RH、 Rr、 Rα、 Rβ内生成初始参数值， RH、 Rr、 Rα、 Rβ根 据实际需要设定； S2， 根据所述初始参数值， 计算6个端点的坐标， 计算方式如下： A＝[r·cosα0 r·sinα0 0]； D＝[r·cos( α +α0) r·sin( α +α0) H‑tanβ·(yD+r)]； 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115422773 A 2S3， 根据坐标计算张拉整体单元的平衡矩阵， 对平衡矩阵进行奇异值分解得到自应力 模态； 根据6个端点的坐标、 自应力模态， 根据优化模型中约束条件的表达式判断张拉整体单 元是否满足结构要求和约束条件， 并计算目标函数值； 所述目标函数为： 所述优化模型为： 式中， i为压杆或拉索， c1和c2为目标函数的组合系数， Scable为索构件集合， Sstrut为杆构 件集合， ti为构件预应力， 为索构件平均内力， 为杆构件平均内力， LNcable为索构件 的 长 度 种类 数 ， L Ns t r u t为 杆 构 件 长 度 种类 数 ， P 为 罚函 数 项 ， 其 值 远 大 于 A为结构的平衡矩阵， t为构件 内力向量， Dij为ij两杆件之间距离， d为环形张拉整体结构所要求的跨度， n为环形张拉整体 结构所要求的张拉整体单 元个数； S4， 使用M atlab软件导入所述S3 中的优化模型并对上述5个参数H、 r、 α0、 α、 β 进行求解， 通过优化搜索算法调整5个参数的值， 重复步骤S2、 步骤S 3， 结构的目标函数值不断减少， 直 到搜索出满足结构要求和约束条件的张拉整体单 元的最优解。 3.根据权利要求2所述一种环形张拉整体结构的优化方法， 其特征在于， 若所述张拉整 体单元满足所述结构要求和约束条件， 计算 其目标函数值； 若不满足， 则计算目标函数值后， 再加相应罚函数项。 4.根据权利要求2所述一种环形张拉整体结构的优化方法， 其特征在于， 所述c1和c2根 据优化目标设定： 若优化目标为构件内力尽可能均匀， 则c1＝1,c2＝0； 若优化目标为构件长度尽可能一 致， 则c1＝0,c2＝1。 5.根据权利要求2所述一种环形张拉整体结构的优化方法， 其特征在于， 所述优化搜索权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115422773 A 3