G20Mn5QT 空间结构 铸钢节点件 大型定制铸钢件厂家
节点是连接杆件、传递荷载的重要组件，铸钢节点是大跨空间结构成形的关键，其性能关乎着结构整体的安全与稳定。由于空间结构节点的性能和成本取决于结构材料的有效使用及构型的合理设计，因此其设计工作一直都是大跨空间结构发展的根据相关研究可将空间结构节点的设计发展历程概括为三个阶段：基于经验的简单构造设计、基于经验的改进设计以及借助优化算法的找形设计。
早期工程中应用的节点往往仅依靠设计师的经验进行简单的构造设计，由于结构未经过系统的计算分析，出于安全考虑工程师通常会赋给节点过量的材料，导致设计成形的节点构型不合理、造价较高等问题，如板式节点、焊接实心球节点。
随着有限元技术的发展和力学理论的完善，通过借助工具计算结构的受力性能可在一定程度上提高节点的材料利用率，从而控制设计成形节点的刚度和经济成本。数值模拟计算为空间结构节点的设计方式带来了革命性转变，其与工程师经验的有机结合构成了现阶段节点普遍采用的基于经验的改进设计方法，即首先根据工程师经验设计出一个节点的初始模型，其次利用有限元技术详细计算初始模型的力学性能，然后基于数值模拟分析的计算结果对节点初始模型的材料分配和结构构型进行调整，经过多次计算和调整的循环过程才能够确定节点的终设计形态，有必要的还需进行节点模型试验。虽然基于经验的改进设计方法在空间结构节点的设计工作中取得了不错效果，但是其周期长、能耗大，而且设计的节点模型在工程实践中常反映出自重大、几何形状优化不足以及应力集中现象明显等问题，铸钢节点件如深圳大运会主体育场在网架的肩谷处所采用的铸钢节点重量达到了98.6t；青岛2014世园会主题馆树状柱的两个支管连接处和主分管交界处局部应力均超过300MPal。因此在保证空间结构节点受力性能的条件下，具有合理经济性的结构设计已经变得愈发重要。
近些年，国内外学者借助优化算法对空间结构节点进行了设计研究，以寻求受力形式合理及轻质的节点形态，其中发展较完善和应用较多的当属拓扑优化算法。拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，对所给设计区域内的材料进行合理布置的结构优化方法。澳大利亚皇家墨尔本理工大学的研究团队，利用BESO对某大跨度顶棚结构的节点进行了拓扑优化设计的探索。Wang等利用拓扑优化方法对三分叉铸钢节点进行了分析，并详细讨论了不同密度阈值下的优化结果，得到了节点模型。Zhang等。提出了一种基于仿结构的拓扑优化方法，并应用该方法得到了悬臂板和十字交叉节点的拓扑构型。从目前的研究现状来看，将拓扑优化应用于空间结构节点的设计中，可在保证节点受力性能良好的同时减轻自重，获取供概念设计阶段参考的节点初始构型。但当前的拓扑优化算法需建立结构的优化区域，限制了算法的设计探索空间，而且优化结果只是优化结构某种性能的单一设计，如果拓扑收敛解不能满足美学或其他性能要求，还需进行大量的人为调整工作，智能化程度不高。G20Mn5QT
随着人工智能技术的快速发展，可以通过引入更智能化、更自动化和更化的方法来实现空间结构节点的设计。衍生式设计是一种融合机器学习和云计算等技术的新设计范式，其不依赖结构的初始几何特征，可根据结构的边界条件、制造方式和性能需求，在云端自动生成多种可行设计方案以供设计师选择应用。衍生式设计的思想早是在20世纪70年代提出，但一直没有取得实质性突破，直到2014年Goodfellow等人提出了一种生成式深度学习模型-生成式对网络（GAN），生成样本的速度与质量才有明显提升。近年来衍生式设计在多个领域得到了研究和应用，例如葛海波利用衍生式设计方法生成了双足机器人大腿及小腿的轻量化模型，进一步提升了机器人的运动性能。王宏宇等将衍生式设计应用于汽车起重机转台的设计中，新转台模型质量减轻12％，侧向变形减小55.6变形减小30.2％，实现转台轻量化的同时提高了其设计刚度。Bright等对直升机机架进行衍生式设计，得到了具有更佳断裂性能和抵变形能力的衍生机架模型。Rajput等通过采用衍生式设计和拓扑优化相结合的方法达到了假肢重量目的。Wu等利用衍生式设计方法对风力机叶片翻转机滚轮座进行优化研究，优化结果在保证强度和刚度的同时质量降为原模型的44.4％。从衍生式设计的应用实例和方法原理分析，若将衍生式设计方法应用于空间结构节点的设计中，有望提升节点设计优化水平和智能化程度，进而有效解决节点在工程实践中反映出的自重大、几何形状优化不足及应力集中现象明显等问题。
本文采用衍生式设计方法对受力形式不同的两类空间结构节点的合理构型进行了智能化自动设计研究。首先，概述了衍生式设计的基本方法和数学模型。然后，对平面受力形式的十字交叉节点模型进行了衍生式设计分析，在云端自动生成了多个具有新颖性的节点构型，并根据设计目标和成本指标选取了代表性衍生节点模型进行数值模拟，验证了衍生式设计结果的合理性后，结合某实际工程给出一空间受力形式的四分叉铸钢节点的设计优化算例，并将代表性衍生节点模型同焊接空心球节点和拓扑优化节点进行了受力性能比较。基于平面十字交叉节点和空间分叉形节点两个算例验证衍生式设计应用于空间结构节点设计的可行性和有效性。
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