行業：高校/科研，建筑行業 

    挑戰：結構優化設計能安全地應用于 地震地區的結構設計

    Altair 解決方案：在地震作用下殼體結構的研究 

    優點：預測結構行為 、了解結構與地震的響應關系、降低應力集中

    項目介紹 

    美國普林斯頓大學的構形實驗室是一個專注于研究結構的曲線外形的研究 小組，研究外形的最佳的力學分布以獲得最優的結構強度。研究的成果顯示這 些結構可以非常薄，從而降低成本和二氧化碳排放，同時滿足一定的審美要求。 

    構形實驗室主任 Sigrid Adriaenssens 博士是專門研究結構表面形狀的結 構工程師，她是美國普林斯頓大學土木與環境工程系的助理教授，Adriaenssens 擁有巴斯大學、英國輕型結構博士學位，并曾擔任倫敦 Jane Wernick  Associates 和比利時布魯塞爾 Ney + Partners 的項目工程師，她撰寫了 2 本書 和 40 多篇行業論文，她是 IASS Working Group 5 的聯合主席，是 International  Journal of Space Structures 合作編輯。她目前的研究領域包括被動、主動和 自適應結構。Tim Michiels 是普林斯頓大學的構形實驗室在讀的博士生，他的 研究方向是殼結構在地震等自然災害的影響下的行為。他還進一步研究采用可 持續的材料，如夯實土和磚，設計彈性殼結構的方法。Tim 獲得了魯汶大學 (比 利時) 土木工程的學士和碩士學位，還獲得雷蒙德勒麥爾國際保護中心的碩士 學位。來到普林斯頓之前，Tim 就職于 Getty Conservation Institute，研究如何 在地震時保護歷史土樓，曾參與在摩洛哥和秘魯的古建筑保護項目。 

    挑戰 

    新聞報道中倒塌的建筑物、破壞的道路和撕裂的城市形象，時時提醒著我 們地震的破壞力。通過幾十年對這些災難性事件的研究，我們已經有了很大的 改善，建筑專業人士和研究人員不斷努力采用最先進的數值方法提高建筑的抗 震能力，保護居住者的安全。 普林斯頓大學構形實驗室的研究人員正在探索一種能安全地應用于地震地 區的結構設計，比如說，這是一種很有應用性的結構設計。他們專注于殼結構， 這是非常薄且彎曲的，通常大跨度結構，材料范圍很廣泛：從鋼和玻璃、混凝 土，甚至磚塊或泥漿。這些殼結構在地震中的表現卓越，例如備受贊譽的殼結 構 Félix Candela 在 1985 大墨西哥市地震期間結構完好，保護了生命。分析這 些結構在地震作用下的行為是需要功能強大的計算工具的。

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    “Altair 團隊優化專家的支持，HyperWorks 套件仿真的通用性，都證明了是本項研 究的堅強后盾。該軟件的計算效率允許進行大規模的模擬運算，同時內置的優化方法被 證明是用于探索結構行為強大的工具。”

                                                                                                 Tim L. Michiels, MSc, 在讀博士 

                                                                                                土木工程系構形實驗室 

                                                                                                普林斯頓大學

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    解決方案

    構形實驗室研究人員采用 Altair 的先進仿真軟件 HyperWorks 套件進行仿真與分析。該套件被用來研究地震對建 筑物性能的影響，由地震引起的震動對外殼形狀的響應及模擬厚度變化的影響。 

    幾何可以很容易從其他 CAD 軟件導入到 HyperMesh，定義好模型屬性后、不同地震工況，直接利用 HyperWorks 的 OptiStruct 求解器進行模擬計算。得到地震載荷作用下不同的阻力和響應，從而可以預測的一系列的幾何形狀。此 外，在 OptiStruct 軟件內置的優化工具不僅可以在給定的約束條件下尋找一個更好的整體形狀，也可以被用來預測區 域的殼局部厚度變化引起的振動特性。 

    因此，HyperWorks 套件是用于獲取何種殼體結構形式對地震反應理解的有力工具。整體形狀的殼，特別是它的 曲率，從地震行為的影響來看，被證明是一個主要的影響振動特性的因素。通過增加曲率，從而增強相應的殼剛度， 結構的基本頻率也增加，確保它們的振動模式在地震時被較少地觸發。雖然厚度分布也是唯一的第二次重要的因素， OptiStruct 的尺寸優化是一個有用的工具，通過優化可以減少應力集中。這些認識能大大促進地震地區殼結構設計的 安全性。

    結論 

    Altair 團隊優化專家的支持，HyperWorks 套件仿真的通用性，都證明了是本項研究的堅強后盾。該軟件的計算 效率允許進行大規模的模擬運算，同時，內置的優化方法被證明是用于探索結構行為強大的工具。這有助于 Altair 的 技術專家與普林斯頓的研究團隊一起進行探討性工作。Altair 的貢獻范圍從提供建模幫助，到引入不同的優化方法， 甚至寫一個自定義的腳本解釋某些數據的模型。 最后，研究人員計劃繼續探究不同的殼結構形態如何影響地震力的傳播以應用于真實的結構，如 Félix Candela。 此外，他們預計使用收集到的數據，設計可以抵抗地震具有創新性、低成本的材料的殼結構原型。

    關于普林斯頓大學 

    普林斯頓大學成立于 1746，是美國第四古老的學府，是一個充滿活力的、服務于全社會的學術和學習團體。普 林斯頓是一個獨立的、男女同校、不分宗派，為本科和研究生提供人文，社會科學，自然科學和工程等教學。 作為世界知名的研究型大學，普林斯頓力求在知識和理解的發現和傳播上達到最高水平。同時，普林斯頓在研究 型大學中有其獨特的大學本科教學模式。今天，有超過 1100 名教職人員約有 5200 名本科生和 2600 名研究生。該 大學的慷慨資助計劃，確保所有才華的學生能負擔得起普林斯頓教育。

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