地震区混凝土壳体结构设计新视角：HyperWorks应用

行业：高校/科研，建筑行业

挑战：结构优化设计能安全地应用于 地震地区的结构设计

Altair 解决方案：在地震作用下壳体结构的研究

优点：预测结构行为 、了解结构与地震的响应关系、降低应力集中

项目介绍

美国普林斯顿大学的构形实验室是一个专注于研究结构的曲线外形的研究 小组，研究外形的最佳的力学分布以获得最优的结构强度。研究的成果显示这 些结构可以非常薄，从而降低成本和二氧化碳排放，同时满足一定的审美要求。

构形实验室主任 Sigrid Adriaenssens 博士是专门研究结构表面形状的结 构工程师，她是美国普林斯顿大学土木与环境工程系的助理教授，Adriaenssens 拥有巴斯大学、英国轻型结构博士学位，并曾担任伦敦 Jane Wernick  Associates 和比利时布鲁塞尔 Ney + Partners 的项目工程师，她撰写了 2 本书 和 40 多篇行业论文，她是 IASS Working Group 5 的联合主席，是 International  Journal of Space Structures 合作编辑。她目前的研究领域包括被动、主动和 自适应结构。Tim Michiels 是普林斯顿大学的构形实验室在读的博士生，他的 研究方向是壳结构在地震等自然灾害的影响下的行为。他还进一步研究采用可 持续的材料，如夯实土和砖，设计弹性壳结构的方法。Tim 获得了鲁汶大学 (比 利时) 土木工程的学士和硕士学位，还获得雷蒙德勒麦尔国际保护中心的硕士 学位。来到普林斯顿之前，Tim 就职于 Getty Conservation Institute，研究如何 在地震时保护历史土楼，曾参与在摩洛哥和秘鲁的古建筑保护项目。

挑战

新闻报道中倒塌的建筑物、破坏的道路和撕裂的城市形象，时时提醒着我 们地震的破坏力。通过几十年对这些灾难性事件的研究，我们已经有了很大的 改善，建筑专业人士和研究人员不断努力采用最先进的数值方法提高建筑的抗 震能力，保护居住者的安全。 普林斯顿大学构形实验室的研究人员正在探索一种能安全地应用于地震地 区的结构设计，比如说，这是一种很有应用性的结构设计。他们专注于壳结构， 这是非常薄且弯曲的，通常大跨度结构，材料范围很广泛：从钢和玻璃、混凝 土，甚至砖块或泥浆。这些壳结构在地震中的表现卓越，例如备受赞誉的壳结 构 Félix Candela 在 1985 大墨西哥市地震期间结构完好，保护了生命。分析这 些结构在地震作用下的行为是需要功能强大的计算工具的。

解决方案

构形实验室研究人员采用 Altair 的先进仿真软件 HyperWorks 套件进行仿真与分析。该套件被用来研究地震对建 筑物性能的影响，由地震引起的震动对外壳形状的响应及模拟厚度变化的影响。

几何可以很容易从其他 CAD 软件导入到 HyperMesh，定义好模型属性后、不同地震工况，直接利用 HyperWorks 的 OptiStruct 求解器进行模拟计算。得到地震载荷作用下不同的阻力和响应，从而可以预测的一系列的几何形状。此 外，在 OptiStruct 软件内置的优化工具不仅可以在给定的约束条件下寻找一个更好的整体形状，也可以被用来预测区 域的壳局部厚度变化引起的振动特性。

因此，HyperWorks 套件是用于获取何种壳体结构形式对地震反应理解的有力工具。整体形状的壳，特别是它的 曲率，从地震行为的影响来看，被证明是一个主要的影响振动特性的因素。通过增加曲率，从而增强相应的壳刚度， 结构的基本频率也增加，确保它们的振动模式在地震时被较少地触发。虽然厚度分布也是唯一的第二次重要的因素， OptiStruct 的尺寸优化是一个有用的工具，通过优化可以减少应力集中。这些认识能大大促进地震地区壳结构设计的 安全性。

结论

Altair 团队优化专家的支持，HyperWorks 套件仿真的通用性，都证明了是本项研究的坚强后盾。该软件的计算 效率允许进行大规模的模拟运算，同时，内置的优化方法被证明是用于探索结构行为强大的工具。这有助于 Altair 的 技术专家与普林斯顿的研究团队一起进行探讨性工作。Altair 的贡献范围从提供建模帮助，到引入不同的优化方法， 甚至写一个自定义的脚本解释某些数据的模型。 最后，研究人员计划继续探究不同的壳结构形态如何影响地震力的传播以应用于真实的结构，如 Félix Candela。 此外，他们预计使用收集到的数据，设计可以抵抗地震具有创新性、低成本的材料的壳结构原型。

关于普林斯顿大学

普林斯顿大学成立于 1746，是美国第四古老的学府，是一个充满活力的、服务于全社会的学术和学习团体。普 林斯顿是一个独立的、男女同校、不分宗派，为本科和研究生提供人文，社会科学，自然科学和工程等教学。 作为世界知名的研究型大学，普林斯顿力求在知识和理解的发现和传播上达到最高水平。同时，普林斯顿在研究 型大学中有其独特的大学本科教学模式。今天，有超过 1100 名教职人员约有 5200 名本科生和 2600 名研究生。该 大学的慷慨资助计划，确保所有才华的学生能负担得起普林斯顿教育。

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