蜻蜓的翅膀图案加固拱顶和圆顶比古罗马和技术产生的方法更好

　　

　　

　　来自西班牙格拉纳达大学的Skoltech研究人员和他们的同事已经确定了加固建筑拱顶和圆顶的最有效方法。该团队比较了各种传统和非传统的加强肋模式如何使结构能够承受均匀分布和不对称的载荷。

　　这项研究发表在《薄壁结构》杂志上，依靠数值分析和物理实验，作者提出了一种前所未有的肋骨图案，灵感来自蜻蜓的翅膀，令人惊讶的是，这种图案比论文中研究的所有其他布局都要好。

　　自古罗马时代以来，加固肋就被用于拱顶和圆顶，以实现工程和美学上更薄的结构。这种解决方案节省了材料，并允许更复杂的设计，更大的无柱地板跨度和更大的窗户-就像哥特式教堂一样。

　　使用肋板来分配天花板的重量对土木工程来说也并不陌生。一些地铁站和工业设施就是一个生动的例子。

　　然而，在选择肋条放置的几何图案时，通常会归结为老的最爱，比如带有格子天花板的桶形拱顶——一种长拱形，内部有加强的方形肋条网——以及十字拱顶，这在早期罗马建筑和受其启发的文艺复兴时期的教堂中很常见。通常不尝试进行复杂的分析来确定改进的潜力。

　　“我们决定分析几种肋骨模式，看看哪一种能更好地承受垂直和不对称载荷，”该研究的主要作者、斯科尔理工大学数学和力学专业的博士生阿纳斯塔西娅·莫斯卡莱娃(Anastasiia Moskaleva)说。

　　“我们对去年研究中设计的曲面聚合物复合壳体进行了数值模拟和实验，将它们与以五种不同方式定位的强化筋相匹配，将每种情况下用于筋的材料用量限制在壳体本身所用材料的一半。”

　　

　　如上所述，最初的外壳是通过一种称为“寻形”的优化技术开发的，在这种技术中，最终形状是通过受自然过程启发的逻辑过程得到的。

　　这可以追溯到安东尼Gaudí做过的实验，他曾经通过将模型悬浮在空中让它们在自身重量下下垂来推导出高效的形式。然后，他采取了他们假设的形状，并将其倒置。实际上，他让重力起了作用，所以这种方法通常被称为“形随力”。

　　

　　研究人员最初研究的五种加固肋纹包括两种历史悠久的设计——格子天花板和十字拱顶——以及两种通过拓扑优化获得的布局。中心柱的顶部图案是通过优化每个点的外壳厚度而产生的，有效地将材料重新分配到最需要的地方。

　　底部图案是通过将两个壳彼此重叠并仅将底部壳优化为肋的种子结构而获得的。最后，第五种，仿生学模式出现在龟壳，蜻蜓翅膀和其他地方，但不是以数学上纯粹的形式被称为Voronoi图。

　　物理实验和数值模拟均表明，拓扑优化设计在承受中心载荷方面优于传统和仿生肋布局。但是，当施加不对称载荷时，情况就会发生变化，这大致相当于雪堆积在屋顶的一侧，或者许多人成群结队地从一个地方移动到另一个地方。

　　

　　在这种情况下，交叉跳马是王道，其次是整体拓扑优化。重要的是，格子天花板和Voronoi图案在从对称负载切换到非对称负载时，其性能受到的影响最小。

　　Moskaleva评论道:“这促使我们将Voronoi模式与垂直负载实验的最佳优化布局结合起来，希望能获得两者的最佳效果。”

　　“我们仔细检查了蜻蜓翅膀的结构，它实际上并不完全遵循Voronoi模式，并发现其中的僵硬肋骨可以被认为是形成两个独立的组。有一种更硬的能抵消扭曲。然后是更薄的肋，以确保机翼整体结构的完整性。我们认为我们可以在保险库里重现这种情况。”

　　

　　为了获得第六种混合模式，该团队首先重复了拓扑优化，但对材料支出有更严格的限制，将70%的筋材分配给这些主筋。接下来是一个额外的步骤，参数化算法用完剩余的材料，根据Voronoi模式填充更薄的次级肋。

　　这个想法非常有效，以至于新的组合模式在中央和非对称负载两种情况下都优于五种初始布局中的每一种。

　　“这表明拓扑优化实际上可以为结构设计做很多事情。然而，它很少用于土木工程，只用于汽车和飞机零件等机械工程。”

　　“当然，优化的形状非常复杂，因此在制造中具有挑战性。但是，在标准建筑的各个部分，如停车场，经过优化，可以按需复制后，从长远来看，由于节省了材料，它将得到回报。这样建筑师就有了更大的创作自由。”

　　更多信息:Anastasiia Moskaleva等人，薄壁结构，薄壁复合材料壳结构的加强模式(2024)。引文:蜻蜓的翅膀图案比古罗马和技术生成的方法更好地加强了拱顶和圆顶(2024,10月10日)检索自2024年10月10日https://techxplore.com/news/2024-10-dragonfly-wing-pattern-vaults-domes.html本文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。