Research on origami patterns for six-fold origami structures using graph theory and optimization algorithms

近年来，折纸结构快速发展并成功应用于诸多领域，但其仍存在折纸新构型难以构建、构型与折展运动难以协调等难题。为了研发多折痕折纸结构，考虑折纸构型的规整性及可折叠性，基于图论方法描述折纸折痕构型，建立折纸顶点的几何约束方程组，综合采用图解法及优化方法，求解单元内部可平折点，得到一系列基于不同对称单元的六折痕折纸结构构型。研究表明，该折痕设计方法精确可行，且具有并行性，能求得给定单元形状的所有内部可平折点。该折痕设计方法适用于任意边界条件的六折痕折纸结构，可为折纸结构创新与应用发挥积极作用。     

基于图论方法与优化算法的六折痕折纸结构构型研究

近年来,折纸结构快速发展并成功应用于诸多领域,但仍存在折纸新构型难以构建、构型与折展运动难以协调等难题。为了研发多折痕折纸结构,本文考虑折纸构型的规整性及可折叠性,基于图论方法描述折纸折痕构型,并建立折纸顶点的几何约束方程组,综合采用图解法及优化方法,求解单元内部可平折点,得到一系列基于不同对称单元的六折痕折纸结构构型。该折痕设计方法适用于任意边界条件的六折痕折纸结构,可为折纸结构创新与应用发挥积极作用。     

基于Skewed Miura构型的周期可展结构变带隙分析研究

基于折纸构型的周期结构在一定条件下具有带隙特性,能阻止特定频率的弹性波在结构中传播,这种带隙特征可以调节,为减振结构的开发提供了新思路.对基于Skewed Miura折纸构型的周期性可展结构变带隙机理进行研究.推导了Skewed Miura折纸构型的几何关系,并利用布洛赫波分析框架研究了该构型的带隙情况.将Skewed Miura单元的几何形状和折纸构型的折叠状态作为设计变量,找出该构型的最大带隙值和相应的折展状态.对比发现,Skewed Miura构型带隙的数量及大小明显大于Miura构型,且带隙位置所处频率范围较低.本研究为减振结构的开发提供了新的结构形式.     

一种带曲线折痕的圆柱形折纸蒙皮的构成分析

讨论了一种可用作为圆柱形结构蒙皮的曲线折痕折纸形式.该蒙皮形式无需裁剪，便于快速铺展折叠，具有更好的伪装性.介绍了该折纸形式的折叠方法和特点，阐述了曲线折痕折纸的数学描述方法，分析了折痕和曲面的几何特征以及相邻折痕间的约束条件.针对圆柱形折纸形式，给出了其折痕曲线的约束方程和形状求解方法.理论上说明了折痕曲线一般可以自由给定，但其相邻折痕必须满足该约束方程.对两种典型折纸形式进行折痕分析和求解，并通过模型制作验证了所提出的构成分析方法的正确性.     

基于Yoshimura折纸模式的可展结构参数化设计

刚性折纸在折叠过程中可以保证折痕之间的面不会发生弯曲和拉压等其他形变，因此越来越多地被用于实际工程结构中.本文将Yoshimura折纸模式用于建筑结构设计中，研究一种可在平面进行板件连接，通过折叠能够形成立体结构的可展式建筑.首先利用雅克比矩阵法对Yoshimura折纸模式的基本单元进行自由度分析，得到了目标结构所需的运动轨迹；分析结构展开时的平面角和折叠后的二面角之间的关系，得到了两者之间相互影响的3个规律，并利用平面角、二面角、谷折数和单元长度各个参数建立了结构尺寸的计算公式；最后提出了增加结构高度的两种拓展模式：四边形增高和三角形增高，通过比较结构整体变形情况和破坏类型，最终选择三角形增高方案来实现结构高度的增加.通过以上研究，可以对基于Yoshimura折纸模式的可展建筑结构进行初步设计.     

新型带预折痕钢板剪力墙滞回性能分析

平板式薄钢板剪力墙在侧向荷载作用下容易发生平面外屈曲,延性较差。借鉴折纸原理,提出一种新型带预折痕的钢板剪力墙,钢板由若干带折痕的子单元组成。针对子单元的几何尺寸及放置角度等参数,详细分析其对钢板剪力墙延性及滞回性能的影响。结果表明:相对于平板式钢板剪力墙,带预折痕钢板剪力墙具有较好的延性。在低周往复荷载作用下,子单元0°放置试件的滞回曲线尤为饱满。带预折痕钢板剪力墙的塑性带均沿其子单元折痕处开展,可吸收大量能量,充分发挥出钢材进入塑性耗能的特点。     

基于群论的闭合环形过约束体系可动性研究

Bennett单元及Bricard单元等典型闭合环形机构具有可动自由度,可在无应变状态下产生连续、较为显著的几何构型变换,已广泛应用于可展结构工程中。基于此,建立了由闭合环形的刚性折杆组成,可进行旋转、镜像等对称操作,且在运动过程中始终保持一定对称性的过约束机构。任一折杆的两端通过扭转副单元分别连接至其它2根折杆,且扭转副单元的可转动方向与杆轴线重合。在刚性折杆单元平衡矩阵的基础上,建立结构的整体力平衡矩阵,从矩阵的左零空间、零空间分别求得结构的机构位移模态及自应力模态。引入群论方法预测机构位移模态的对称性,并对结构的可动性进行分析。为了验证该类对称体系的可动性,采用基于牛顿迭代技术的非线性预测 修正算法,对结构进行完整路径的运动模拟。针对2个不同对称性的六杆过约束机构算例进行对称分析及运动模拟,结果表明：算例所述的2个对称过约束体系均为单自由度可动结构,可作为可展结构推广应用。     

一种预应力单层折面网壳结构的简捷计算方法及试验研究

宝石群单层折面网壳外形犹如宝石晶体,是一种近年来兴起的由一系列三角形折面网格单元组成的单层网壳结构。经研究发现,在该单层折面网壳结构基本体系内设置若干圈环索,可优化其受力性能、提升结构刚度进而达到优化结构设计的目的。通过研究该结构构形特点,提出了基于简化杆系计算模型的预应力体系计算方法,可以方便地确定不同预应力分布下网壳结构的内力及位移,同时可进行预应力优化设计,并通过模型试验验证了该方法的可靠性。     

平面预应力钢桁架整体可靠性分析

本文首先基于随机摄动理论建立了具有弹性约束的索张拉预应力钢桁架结构随机内力统计特性分析的计算公式,整体结构的基本随机参数包括折线索单元和桁架单元的截面面积(或综合刚度)、张拉钢索的预拉力、外荷载及约束刚度等。利用一次二阶矩法建立了任意单元失效模式的可靠度指标与验算点的迭代模型,并基于点估计法得到了整体结构可靠性指标的计算模型。通过数值分析对影响整体结构可靠性指标的有关参数进行了讨论,得到了一些有益的结论,为索张拉预应力钢结构整体可靠性设计奠定了一定的基础。     

新型可展二连体箱式房结构系统开发

为解决现阶段可折叠箱式房的折展精度低、结构稳定性差、机械部件强度低等问题,研究设计了一种具有标准尺寸的二连体可折展箱式房。实际验证表明,该新型可展结构自动化程度高,强度设计安全可靠,建筑功能与结构设计相匹配,可以一键式快速折展,显著降低运输及储存成本,特别适合快速搭建及高周转性的应用场景,推动了建筑行业可展结构的进步。     

Axial crushing of thin-walled structures with origami patterns

Thin-walled tubes are a kind of popular design for the energy absorbing devices. However, when they are subjected to axial loading, there exists a large undesirable initial peak force, followed by fluctuation in the force–displacement curve. In this paper, the origami patterns are introduced to thin-walled tubes to minimize the initial peak and the subsequent fluctuations. Tubes of square, hexagonal and octagonal cross-sections with origami patterns are investigated by finite element analysis. Numerical results show that compared with the conventional tube, the patterned tubes exhibit a lower initial peak force and more uniform crushing load. The critical states are obtained under which the crushing mode follows the initial origami pattern. The parametric study shows the relationship between the pre-folding angle and the initial peak force as well as the mean crushing force for the tubes with different cross-sections. A prototype of the patterned tube is constructed and tested, showing much lower initial peak force and a smooth crushing process which agrees with the numerical results.     

可展折纸结构国际工作坊的实践与思考

随着高等学校国际合作交流机会的增多,工作坊作为一种新的教学模式,其应用越来越广泛。以丹麦皇家艺术学院举办的"可展折纸结构在工程中的应用"国际工作坊为例,对工作坊的各个环节进行详细的介绍,包含前期计划、学术汇报、指导教师演示、学生确定研究主题、模型制作及各组的成果答辩等。此外,分析了联合工作坊在促进学生跨学科思维的碰撞与交流,培养学生团队精神和沟通能力,促进教学与实践相互统一等方面的意义,并对工作坊在土木工程学科的适用性进行了探究。     

工程结构可持续性设计理论架构

工程结构设计以安全和可靠性为基本属性，在人本化关切层面不断进步，但对工程结构造成环境影响的忽视致使工程建设热潮成为环境退化诱因之一。近年兴起的生命周期评价研究致力改善这一现状，依此可建立工程结构的环境可适应性设计，实现生命周期环境影响调控，引导环境友好的工程进步。然而长期以来，工程结构设计与环境影响设计的研究进展处于两条近乎平行的轨道，两类单向设计在实践中常相互制约。工程结构与环境系统的同步可持续是土木工程可持续发展的必然要求，因而亟需构建结构与环境相容共生理论体系。基于此，提出可持续性作为结构设计的控制属性，给出可靠性满足的前提下，工程结构对环境影响在环境系统中的可承受程度。通过建立基本耦合关系和动态相容耦合关系，关联可靠性与可适应性，反映结构-环境共生体的动态反馈影响机制，构建双向设计的基本路径。进一步，定义碳强度和碳容度，提出可持续性目标选取与简化实现建议，列出多层次操作要点，为绿色建造提供理论基础。     

基于层次分析法的钢结构课程设计成绩评定

钢结构课程设计是土木工程专业一门重要的实践课程。传统的钢结构课程设计成绩评定考核方法欠客观,较难真实反映学生的综合水平。为此,提出基于层次分析法的钢结构课程设计成绩计算方法,通过定性分析影响钢结构课程设计成绩的影响因素,建立5个一级评价指标和17个二级评价指标,运用层次分析法构建钢结构课程设计成绩评定数学模型。实践表明,该方法有利于调动学生的积极性和主动性,有利于促进钢结构课程设计质量的提高。     

Optimization of reinforcement layout of scissor‐type bridge using differential evolution algorithm

Scissors mechanisms are commonly used in safety engineering during the construction of temporary structures, owing to their inherent advantages of foldability, transformability, and reusability. We effectively utilized these scissors mechanism features to develop a lightweight, deployable emergency Mobile Bridge (MB) based on optimization, and control of the folding structure. Here, we discuss the problems of optimal reinforcement layout for the MB by formulating and solving three optimization problems, namely: (a) the load capacity maximization problem, (b) the weight minimization problem, and (c) coupling the load capacity maximization problem and the weight minimization problem. The potential benefits resulting from the application of reinforcement were evaluated using a combination of finite element analysis and an optimization algorithm based on the differential evolution method. The results demonstrate the significant positive influence of the additional reinforcing members. In particular, the limit load was increased by over 10 times, while the weight was decreased to approximately half. The proposed methodology enabled the development of a substantially improved version of the MB characterized by a higher load capacity and lower weight in comparison to the initial bridge design.     

预应力混凝土边梁协调扭转的分析

通过对协调扭转的各种典型设计方法的适用性进行比较,指出对于不同的结构,必须合理选用相应的协调扭转分析方法。对承受较大协调扭矩作用的预应力混凝土边梁,协调扭矩的计算可根据不同阶段的受力特点采用其相应的变刚度。同时对次梁、板与边主梁截面形心相对位置的影响进行探讨,指出预压力对边梁抗扭承载力的影响。结合工程实例的有限元分析,说明此类结构的设计要点。     

由基坑挡墙位移推算地层位移场及其影响

为规避有限单元法分析基坑开挖位移场中存在的参数取值及边界条件不确定带来的计算结果可靠性不足的问题,运用已知或其他可靠方法得到的边界位移,采用间接边界单元法推求基坑开挖位移场及其对邻近地铁隧道的影响。基于平面荷载结构模型计算结果及工程实测结果的可靠性事实,假设在基坑围护挡土墙边界上作用按某种分布规律的虚拟力,同时考虑基坑围护挡土墙的位移边界条件。分析结果表明利用平面计算或监测的可靠数据推算基坑周边位移场是一个可靠途径;而且在一般的计算机上就可以分析一些大型基坑开挖引起的土层位移场及其对邻近建筑的影响,尤其该方法满足了邻近运营中地铁位移动态预测的高准确性要求,采用该方法具有快速、实用简便、准确等特点,因此具有广泛的工程应用前景。     

梁贯通式支撑钢框架体系的强度折减系数研究

基于强度折减系数的抗震设计方法,将增量动力分析（IDA）和能力谱法（CSM）结合,对典型梁贯通式支撑钢框架结构的强度折减系数进行研究。采用结构试验校准后的有限元分析模型对结构进行分析,得到结构性能点。通过比较按照设防烈度弹性设计的基底剪力Ve和按照小震设计的基底剪力Vd得到强度折减系数R。分析表明：支撑与框架柱的配置比例及布置方式会对此类结构的强度折减系数产生影响;适用于7度设防烈度的典型两层结构两种支撑配置比例（CASE1和CASE2一层与二层支撑配置比例分别为3∶1和2∶1）梁贯通式支撑钢框架结构体系的强度折减系数可分别取为3.02和2.54。最后建议了该新型结构体系考虑强度折减系数并基于我国现行规范进行抗震设计的地震作用取值范围。     

基于等效线性化的土–地下结构整体动力时程分析方法研究

地下结构抗震设计简化分析方法离不开场地地震反应分析,而频域内的等效线性化方法是一维土层地震反应分析的主流方法。在一维土层地震反应分析的等效线性化方法的基础上,提出了一种地下结构抗震设计的等效线性化分析方法,并给出场地材料参数的确定方法。将该方法应用于地铁车站的横断面抗震分析中,并与土体直接采用非线性的Davidenkov模型进行的动力时程分析方法对比,两者计算误差满足工程需要的精度要求。此方法兼具场地等效线性化方法和地下结构动力时程分析方法的双重优势,可以作为一种动力时程分析方法运用于地铁车站等地下结构的抗震设计中。