本发明涉及空间网格结构领域，具体为一种应用于装配式空间网络结构数值分析的参数化建模方法。
背景技术：
1、大跨空间结构是目前发展最快的结构形式之一，大跨空间建筑及相关关键技术在某种程度上反映了一个国家的建筑科技水平。作为屋盖的一种常见结构形式，空间网格结构被广泛应用于体育馆、博物馆等公共建筑中，且由于该结构可以实现丰富多变的曲面造型，这些建筑中一大批成为当地的标志性建筑，为城市增添了灵动的色彩。大跨空间结构在平面内具有较高的强度、刚度和冗余度，然而，结构在平面外的冗余度低，容易发生失稳破坏。因此，空间网格结构的稳定性分析和抗倒塌设计是保障结构安全性的前提。
2、近年来，装配式节点在空间结构中得到了比较广泛的应用，相比于采用焊接节点，装配式空间网格结构克服了焊接工作量大，需要较大作业面，机械化程度差，施工成本高，工期长，施工质量难以保证等缺点，更符合现代结构特色和建筑工业化要求。同时，由于铝合金结构焊接后，强度会大大降低，大约只有母材的一半。采用装配式节点使得结构选材不仅仅局限于钢材，木材、铝合金等材料也得到广泛应用。市场上现行的装配式节点类型很多，一方面，绝大多数装配式节点均难以且无必要做到强节点弱构件，另一方面，不同类型的装配式节点各方向的刚度和承载力存在较大差异。因此，在对空间网格结构的稳定性和抗倒塌性能进行分析时，有必要考虑装配式节点力学性能对结构的影响。
3、然而，目前考虑装配式节点力学性能的空间网格结构分析模型建模难度高，工作量大，缺乏高效的参数化建模方法。因此，发明准确且高效的空间网格结构数值模型参数化生成方法，对科学研究和实际工程设计中利用数值手段分析空间网格结构的安全性具有重要意义。
技术实现思路
1、技术问题：针对空间网格结构数字化分析模型缺乏参数化建模手段的问题，本发明的目的在于提出一种考虑装配式节点连接性能的空间网格结构有限元模型的参数化建模方法。相比于传统有限元模型复杂的建模流程，本发明所提方法在保证精细化的同时实现了数值模型的参数化生成。基于空间网格结构几何模型，自动提取模型中的节点和杆件信息，并生成用于有限元分析的数值模型。在结构有限元模型中，引入装配式节点几何尺寸和半刚性性能的影响，模拟杆件在结构受力过程中可能的屈曲失稳行为，考虑结构初始几何缺陷对其力学性能的影响，以保证空间网格结构模拟结果的准确性。当结构的几何参数改变时，该建模方法可自动生成用于空间网格结构力学性能计算的有限元分析模型。本发明所提供的技术构建了几何模型与数值模型间的桥梁，实现了空间网格结构精细化有限元分析模型的参数化创建。
2、技术方案：本发明是一种应用于空间网格结构数值模型的参数化建模方法。该方法主要包括，空间网格结构几何模型的节点和杆件信息自动提取，基于结构实际特征的模型几何信息重构和考虑初始几何缺陷的结构有限元分析文本自动生成三个核心技术。
3、所述空间网格结构几何模型的节点和杆件信息自动提取，是指在现有较成熟的几何模型的参数化建模方法基础上，自动提取空间网格结构几何模型中的节点及杆件信息，核心技术如下。
4、提取空间网格结构几何模型中的节点坐标，剔除重复节点，并将节点信息生成数据树。数据树的结构为其中大括号中以整数表示每个分支的地址或路径，从左到右第一个整数表示主干，第二个整数表示主干分出的第二个分支，依次类推，最后一个整数表示实际持有数据的分支；方括号中的整数表示每个数据的序列号。利用数据树存储所提取的空间结构几何信息，如节点编号、节点x坐标、节点y坐标、节点z坐标、杆件编号、杆件起始点编号、杆件终止点编号、截面编号、截面尺寸信息、截面材料信息等，并写入储存文件中。
5、所述基于结构实际特征的模型几何信息重构，需要在提取几何模型中的节点和杆件信息后，为考虑节点尺寸效应影响及杆件屈曲失稳模式，对模型几何信息进行的精细化处理，其核心技术如下。
6、考虑实际空间网格结构选用装配式节点的尺寸差异，定义节点与杆件长度的比值为λ。则对于第n根杆件，若该杆件两端节点编号分别为a和b，则为考虑节点尺寸效应而引入新增节点的坐标计算公式为：
7、x＝xa+(xb-xa)×λ
8、其中，xa＝{xa，ya，za}，xb＝{xb，yb，zb}。
9、同时，为实现对空间网格结构中杆件屈曲失稳行为的准确模拟，定义每根杆件划分的单元数量为γ。对于第n根杆件，若杆件两端节点为a和b，则划分杆件所新增的第i个节点坐标计算如下：
10、xi＝xa+(xb-xa)×(λ+(i-1)/γ×(1-2×λ))
11、其中，i＝{1，2，…，γ}。
12、所述考虑初始几何缺陷的结构有限元分析文本自动生成，需要基于网格结构模型重构后的几何信息，自动定义节点间的有限单元类型，生成商用有限元软件分析文本，实现对空间网格结构力学性能的准确模拟，其核心技术如下：
13、选用梁单元来模拟杆件，杆件内力由以下公式进行计算：
14、
15、式中，是节点a处的内力，ba是应变-位移矩阵。基于应变和旋转，可以将ba进一步划分为：
16、
17、其中
18、
19、选用离散梁单元模拟装配式节点的力学性能，分别定义节点在局部坐标系(r，s，t)下各方向的强度和刚度：{fr，fs，ft，mr，ms，mt}及{kr，ks，kt，rr，rs，rt}。则节点基于力的破坏准则定义为：
20、
21、基于位移的破坏准则定义为：
22、
23、基于上述分析单元，生成空间网格结构稳定性/抗倒塌性能的有限元分析模型。对空间网格结构进行模态分析，以第一阶屈曲模态为分布规律，1/300跨度为幅值，施加初始几何缺陷。实现对结构失稳/倒塌过程的精细化模拟。该程序考虑了装配式节点的连接性能、杆件屈曲失稳模式和结构初始缺陷来保证分析准确性的同时，实现了空间网格结构有限元分析模型的快速生成。
24、有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25、1)本发明所提技术直面空间网格结构节点及杆件数量繁多，各类几何信息冗杂的问题，实现了对空间网格结构几何信息的高效提取。利用数据树强大的信息存储能力，通过元素的分支路径和序列号对空间结构中的节点和杆件进行编号，并将模型几何信息写入文本文件中。
26、2)本发明所提技术旨在解决参数化建立数值模型过程中遇到的模型精细化挑战。考虑空间网格结构中装配式节点类型、杆件屈曲失稳对结构性能的影响，考虑装配式节点尺寸、杆件单元划分段数、杆件截面方向定位等精细化建模要求，增加新的定位及定向节点，对空间网格结构几何模型的节点信息进行重构。
27、3)本发明所提技术最终实现了由结构几何参数直接控制空间网格结构数值模型生成。利用单元连接定位节点，定向节点控制单元方向，建立空间网格结构有限元分析模型。基于模态分析结果自动施加结构初始几何缺陷，建立空间网格结构稳定性/抗倒塌性能分析模型，为结构参数化分析和优化设计奠定基础。
1.一种装配式空间网格结构有限元模型的参数化生成方法，其特征在于，实现空间网格结构几何模型参数化生成及信息自动提取，进行考虑实际结构特征和数值模拟需求的模型几何信息重构，完成空间网格结构有限元分析模型自动生成及初始几何缺陷施加。
2.根据权利要求1所述空间网格结构几何模型信息自动提取，其特征在于，将几何模型中组成空间网格结构的节点和杆件信息提取并写入输出文件，所述几何模型文本格式支持且不限于rhino 3d，autocad drawing，iges，step，solidworks，适用于任意形状、任意网格尺寸、任意拓扑关系的空间网格结构几何信息的提取、编号、储存及输出。
3.根据权利要求1所述考虑实际结构特征和数值模拟需求的模型几何信息重构，其特征在于，定义装配式节点与杆件尺寸之比λ，来考虑装配式节点尺寸效应的影响；定义杆件划分段数γ，且要求γ≥2，来模拟空间网格结构受力过程中杆件屈曲失稳特征。通过插入新节点实现空间网格结构几何模型的信息重构。
4.根据权利要求1所述结构有限元分析模型自动生成及初始几何缺陷施加，其特征在于，实现在局部坐标系(r，s，t)下，对任意类型装配式节点各方向强度和刚度的准确模拟。定义基于强度或变形的装配式节点失效准则，生成空间网格结构有限元分析模型，并自动施加基于结构第一阶屈曲模态的初始几何缺陷。
5.根据权利要求2所述空间网格结构的节点和杆件信息提取并写入输出文件，其特征在于，自动计算并提取空间网格结构中的节点坐标(x，y，z)、杆件起始点编号、杆件终止点编号、截面尺寸信息、截面材料信息、单根构件重量、结构总重量等，并对节点和杆件进行编号。结构的节点和杆件信息可以写入的输出文件包括且不局限于excel，text，mac等。
6.根据权利要求3所述插入新节点实现空间网格结构几何模型的信息重构，其特征在于，考虑实际结构中装配式节点尺寸效应的影响，输入装配式节点与杆件尺寸之比λ，插入新节点来表征任意尺寸装配式节点；定义杆件划分段数γ，插入新节点实现杆件分段，来模拟结构受力过程中的杆件屈曲失稳特征。
7.根据权利要求4所述生成空间网格结构有限元分析模型，并自动施加初始几何缺陷，其特征在于，生成abaqus，ansys等商用有限元软件的命令流分析文本，默认基于结构第一阶屈曲模态施加初始几何缺陷。可选择是否考虑结构初始几何缺陷，修改结构几何缺陷分布模式及幅值，来适应不同的分析需求。生成分析文本定义荷载工况后可实现对空间网格结构的稳定分析或倒塌过程模拟。
8.根据权利要求7所述生成分析文本实现对空间网格结构的稳定分析或倒塌过程模拟，其特征在于，选用梁单元来模拟杆件，杆件内力计算公式为：
