[发明专利]一种十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构及构成方法

权利要求书

1.一种十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构，其特征在于：包括单向曲面网壳结构(18)、正曲率双向曲面网壳结构(19)和负曲率双向曲面网壳结构(20)；十四面体(1)是由八个正六边形和六个正四边形组成的多面体；十四面体基本单元(2)由两个十四面体沿平面45°斜交方向对接而成；正交阵列组合体(5)由十四面体基本单元(2)沿着三个正交方向阵列复制生成；阵列组合旋转体(6)由正交阵列组合体(5)绕空间旋转轴(7)旋转一定角度生成；边界切割结构由跨度向平面边界(8)或跨度向曲面边界(9)切割阵列组合旋转体(6)生成，包括平面边界切割结构(11)和曲面边界切割结构(12)；曲面网壳结构由平面边界切割结构(11)的起拱曲面化生成，平面边界切割结构(11)分别通过单向弯曲起拱、正曲率双向弯曲起拱和负曲率双向弯曲起拱分别生成单向曲面网壳结构(18)、正曲率双向曲面网壳结构(19)和负曲率双向曲面网壳结构(20)；

十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构的构成方法为：

S1、两个十四面体(1)沿与平面正交基准轴(3)成45°的平面斜交方向(4)对接组成十四面体基本单元(2)；

S2、十四面体基本单元(2)沿着三个正交方向阵列复制生成正交阵列组合体(5)；

S3、正交阵列组合体(5)绕空间旋转轴(7)旋转一定角度，生成阵列组合旋转体(6)；

S4、根据建筑边界切割形式，设置跨度向平面边界(8)、跨度向曲面边界(9)以及厚度向平面边界(10)；

S5、通过跨度向平面边界(8)和跨度向曲面边界(9)切割阵列组合旋转体(6)，生成对应的平面边界切割结构(11)和曲面边界切割结构(12)；跨度向平面边界(8)和跨度向曲面边界(9)的切割方式包括三维模型切割方式和坐标定位切割方式；

S6、在步骤S5生成的平面边界切割结构(11)的基础上，进行起拱曲面化方式控制生成曲面网壳结构，即对平面边界切割结构(11)采用单向弯曲起拱、正曲率双向弯曲起拱和负曲率双向弯曲起拱方式生成曲面网壳结构，对应单向弯曲起拱的曲面控制线(15)、正曲率双向弯曲起拱的曲面控制线(16)和负曲率双向弯曲起拱的曲面控制线(17)进行弯曲定位，对应生成单向曲面网壳结构(18)、正曲率双向曲面网壳结构(19)和负曲率双向曲面网壳结构(20)；其中单向弯曲起拱、正曲率双向弯曲起拱和负曲率双向弯曲起拱的弯曲方式包括三维模型弯曲方式和坐标定位弯曲方式；

S7、生成的曲面网壳结构由切割表面的结构边线(13)、原有十四面体的表面棱边(14)和原有十四面体的内部棱边(23)组成，为空间梁系结构；杆件包括表面弦杆(21)和内部腹杆(22)，节点包括内部腹杆(22)之间的内部节点(24)以及表面弦杆(21)之间的表面节点(25)；

步骤S5中，三维模型切割方式的实施步骤：先是在CAD软件中建立三维实体单元模型，即由实体的十四面体组成的阵列组合旋转体；再是建立跨度向平面边界和跨度向曲面边界生成的平面域边界和曲面域边界；切换至侧视图下，通过平面域边界的实体分割运算实现三维实体单元模型的平面切割，通过柱面域边界和球面域边界的布尔差集运算实现三维实体单元模型的柱面切割和球面切割；双曲面切割则在Rhino软件中通过双曲面域切割实现；

步骤S5中，坐标定位切割方式的实施步骤：先是将阵列组合旋转组合体的节点坐标数值化，并导入MATLAB的输入节点数据文件；再是设置数值化定位的跨度向平面边界和跨度向曲面边界；分别编写对应切割程序，生成平面边界切割结构和曲面边界切割结构；切割程序的控制方式是切割范围内的节点和杆件保留，在切割范围外的节点和杆件删除，并在切割面相交处生成节点，最后连接切割面相邻最近的节点生成切割表面的结构边线；

步骤S6中，三维模型弯曲方式的实施步骤：先是在CAD软件中建立三维实体单元模型，即由实体的十四面体组成的阵列组合旋转体；再是建立跨度向平面边界生成的平面域边界；切换至俯视图下，通过平面域边界的实体分割运算实现三维实体单元模型的平面切割，得到平面边界切割结构；再是炸开实体生成框线结构，并导入Rhino软件中；通过Rhino软件中弯曲功能定位单向弯曲起拱的曲面控制线、正曲率双向弯曲起拱的曲面控制线和负曲率双向弯曲起拱的曲面控制线，实现单向弯曲起拱、正曲率双向弯曲起拱和负曲率双向弯曲起拱，生成曲面网壳结构；

步骤S6中，坐标定位弯曲方式的实施步骤：先是将阵列组合旋转体的节点坐标数值化，导入MATLAB的输入节点数据文件；再是推导单向弯曲、正曲率双向弯曲和负曲率双向弯曲对应的节点坐标转换公式并数值化；分别编写对应弯曲转换程序，生成单向曲面网壳结构、正曲率双向曲面网壳结构和负曲率双向曲面网壳结构。