[分享]结合有限元分析与参数化工具的结构优化与找形

发表于2018-01-29    1407人浏览    1人跟帖    总热度:158  

大家都知道,传统的建筑与结构专业的关系是单向的,结构处于被动地位,努力实现符合既有的建筑造型最优结构;同时,建筑师也没有好到哪去,经常出现“返工”情况,造型结构不合理那就得重新建模。这就是常见的建筑与结构的相互牵制。
那下面小编为大家介绍一种目前比较前沿的建筑与结构协同优化的工作流程,也是一种以结构性能为导向的找形思路(最终的造型结构性能最优)——有限元分析结合参数化。
因笔者经验有限,不够专业的地方,望批评与指正。
首先呐,先分别讲一下参数化与有限元分析的各自特点与优势。
之前公众号推送过一期笔者写的一篇关于参数化的文章,讲到了它的优势在于设定好参数,制定好生形的逻辑,即可通过调整参数方便迅速的得到多个不同的结果。
如下动图,可视化调整桁架单元间距等参数
结合有限元分析与参数化工具的结构优化与找形_1
本文所用的有限元分析工具是Karamba,其可在http://www.karamba3d.com/官网上购买专业版,官网页面如下图,笔者为了研究所用,买了价格非常亲民的学生版。Karamba是在参数化工具grasshopper的平台上开发出来的一个插件,可以非常迅速的输出三维空间结构各种结构性能的量化数据。
结合有限元分析与参数化工具的结构优化与找形_2
下图是一个悬臂梁材料利用率的可视化分析结果,另外位移值、弯矩分布(如下图)、扭矩分布、剪力分布、应力能等也没有问题。我们需要做的是设置好模型的支点的约束条件、材料、截面、荷载,(材料与截面工具中均有大量预设好的参数)将其参数输入给分析运算器,即可得到可视化的分析结果。
结合有限元分析与参数化工具的结构优化与找形_3
结合有限元分析与参数化工具的结构优化与找形_4
参数化工具可高效逻辑生形,Karamba可以快速量化分析,那显然将两者结合可以快速检验不同生形结果的结构性能,筛选出最优结果,并且两者是在同一个工作平台grasshopper上完成的,无需导入导出。举个简单的例子就是快速得出在选定钢材、规定荷载的条件下的较优桁架尺寸。
那么这个筛选过程是否可以自动化呢?
当然可以,grasshopper有自带的遗传算法,可以自动计算出某个量的最优值,下面是笔者的一个小实验:树状结构的生形与应力能优化。首先笔者利用基于Rhino平台上开发的grasshopper参数化工具构建了一个简单的树状结构基础形体,由下部两级树状结构与上部双曲面顶棚构成,如下图。
结合有限元分析与参数化工具的结构优化与找形_5
随后将模型数据信息与有限元分析工具Karamba建立数据关联,利用其自带的材料、截面等数据库赋予基础形体荷载、支座、截面、材料等参数,计算机程序读取、识别、计算生成分析数据。位移值displacement分析结果如下图。

基于模型信息与分析数据的关联性,运用grasshopper自带的galapagos遗产算法将应变能的分析结果作为优化对象将树形结构二级分枝的方向作为影响因子,求应变能的最小值(应变势能表征的是这个形态变形之后产生的不稳定性。应力×形变量=应变势能,应变势能能比较均衡地来表征变形时所蕴含的能量。所以用最小应变势能来作为优化参数可以用于表示其结构稳定性能。),从而优化树形结构的力学性能。下图为在不均布荷载情况下的优化过程与结果。
如下动图,不均布荷载情况下的优化过程与结果


除以上优化流程外,Karamba还有杆件截面尺寸优化、应用BESO算法消除结构中低效率的材料等诸多结构优化方法。有兴趣的朋友可以百度谢亿民等写的《渐进结构优化法(ESO)和双向渐进结构优化法(BESO)的近期发展》进行了解。
笔者相信,在这个数字化技术飞速发展的时代,建筑表达与结构形式能够融合的更加和谐统一。




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 发表于2018-01-29   |  只看该作者       筑龙币+10

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本文所用的有限元分析工具是Karamba~

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