論基于ANSYS的空間桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

【摘 要】隨著當(dāng)今社會(huì)的不斷發(fā)展，大跨度的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行社的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，在人們的不斷實(shí)踐過(guò)程中空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式取得了極大的發(fā)展。空間桁架結(jié)構(gòu)有著質(zhì)量輕、剛性強(qiáng)、成本低廉、施工簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，在包括航空、公路橋梁、水利、工業(yè)機(jī)械等許多工程中都得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是現(xiàn)在空間桁結(jié)構(gòu)仍然存在著如材料質(zhì)量要求高、容易損耗等一些問(wèn)題，因此，在實(shí)際的工程中如果能夠?qū)ζ溥M(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，就能夠更好的實(shí)現(xiàn)大跨度的空間結(jié)構(gòu)的效果，進(jìn)一步節(jié)約成本。本文中，筆者就以基于ANSYS的拓?fù)鋬?yōu)化的方式來(lái)對(duì)空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】ANSYS軟件；空間桁架結(jié)構(gòu)；拓?fù)鋬?yōu)化；設(shè)計(jì)方案

0.引言

在當(dāng)今社會(huì)，目前的建筑技術(shù)的空間桁架結(jié)構(gòu)總體都是采用拓?fù)浜驮鰷p尺寸的優(yōu)化手段。本文主要論述的是拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)方法。拓?fù)鋬?yōu)化就是形狀的優(yōu)化，包括離散體的優(yōu)化和連續(xù)體的優(yōu)化兩種形式，而離散體的優(yōu)化在實(shí)際過(guò)程中得到更廣泛的運(yùn)用。以下本文就以連續(xù)體的拓?fù)鋬?yōu)化方式，通過(guò)采用ANSYS軟件來(lái)對(duì)空間桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化處理。

1.分析空間桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的意義

作為大跨度建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式的空間桁架結(jié)構(gòu)，其有著質(zhì)量輕、施工方便的特點(diǎn)，在文化宮、會(huì)議大樓、游樂(lè)場(chǎng)等大跨度的建筑結(jié)構(gòu)中有被廣泛的運(yùn)用，因而提高空間桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)建筑的穩(wěn)定性和安全性都有著十分重要的意義，設(shè)計(jì)者必須加以重視。ANSYS軟件是在對(duì)空間桁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的常用軟件之一，通過(guò)其強(qiáng)大的計(jì)算能力來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)最優(yōu)化的目的。在確保建筑結(jié)構(gòu)合理安全的基礎(chǔ)上，盡可能的減少材料的使用損耗，減少工程成本，盡量達(dá)到最經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到我們所說(shuō)的設(shè)計(jì)最優(yōu)化。設(shè)計(jì)最優(yōu)化在實(shí)現(xiàn)節(jié)能社會(huì)，落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀中有著至關(guān)重要的作用。在現(xiàn)代建筑的空間桁架結(jié)構(gòu)中，主要是通過(guò)相關(guān)測(cè)量和調(diào)查，以掌握每個(gè)桿件之間的距離大小，然后再使用通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的方法來(lái)確認(rèn)是否有桿件的存在。而對(duì)于連續(xù)體的方法來(lái)講，現(xiàn)有的技術(shù)水平已經(jīng)能夠通過(guò)一定的軟件技術(shù)來(lái)分析邊界等基礎(chǔ)信息，以得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，這種技術(shù)的發(fā)展對(duì)于空間桁架結(jié)構(gòu)的初期設(shè)計(jì)有著重大的意義。

2.建立空間桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型

ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化功能在經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的運(yùn)算后可以求得最優(yōu)結(jié)構(gòu)，以便獲得設(shè)計(jì)者需要的工程材料的最大、最小值。其原理是在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)需求的情況下，無(wú)限放大自身剛度，達(dá)到工程計(jì)算的最小誤差值，同時(shí)優(yōu)化自身的設(shè)計(jì)變量，實(shí)現(xiàn)單元密度的常態(tài)化。單元偽密度為0的材料為可以刪除的部分，單元偽密度為1的材料為保留的部分。

ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化功能，模型中只能有下列單元類(lèi)型：二維平面單元PLANE2和PLANE82，用于平面應(yīng)力或軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題；三維塊單元SOUD92和SOLID95；殼單元SHELL93。

而在本文研究中的空間桁架結(jié)構(gòu)總體尺寸較大，為5.8m×5.8m×25m，且作用力都集中在結(jié)構(gòu)的外表面。若采用三維實(shí)體單元，盡管建模簡(jiǎn)單，但計(jì)算量大且對(duì)機(jī)器配置要求高，故采用殼單元SHELL93。

ANSYS程序只對(duì)單元類(lèi)型編號(hào)等于1的單元網(wǎng)格進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，對(duì)于單元類(lèi)型編號(hào)等于或大于2的單元網(wǎng)格部分不進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。所以，在劃分模型網(wǎng)格時(shí)，必須確保拓?fù)鋬?yōu)化的區(qū)域的單元類(lèi)型編號(hào)為l。

優(yōu)化模型根據(jù)與其連接部分結(jié)構(gòu)尺寸條件建立，臂架結(jié)構(gòu)頂部采用板結(jié)構(gòu)焊接形式，本文將確定其為非優(yōu)化區(qū)域，板厚為20mm，優(yōu)化區(qū)域是由3個(gè)面組成的空間三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)，板厚為30mm。結(jié)構(gòu)頂部前端垂直載荷40t，結(jié)構(gòu)仰角：8l度。

3.空間桁架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化及其優(yōu)化結(jié)果

在建立了相應(yīng)的優(yōu)化模型之后，我們對(duì)臂架底部鉸接的空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)線(xiàn)性結(jié)構(gòu)靜力分析的手段對(duì)其開(kāi)展了拓?fù)鋬?yōu)化。現(xiàn)將拓?fù)鋬?yōu)化的具體過(guò)程以及結(jié)果分析分別描述如下，以供參考。

3.1空間桁架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程

ANSYS程序提供了1個(gè)專(zhuān)門(mén)用于預(yù)定義總體積的拓?fù)浜瘮?shù)，即VOLUME，它既可作為目標(biāo)函數(shù)，也可以用于約束條件。本文定義目標(biāo)函數(shù)為MCOMP，VOLUME減少60%為約束條件，定義目標(biāo)函數(shù)和約束條件的命令流如下：

…

TOCOMP，MCOMP，MULTIPLE，4

定義多柔度作為拓?fù)鋬?yōu)化函數(shù)MCOMP

TOVAR，MCOMP，OBJ

定義柔度函數(shù)MCOMP作為拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)

TOVAR，VOLUME，CON，60

總體積VOLUME減少60%

TODEF，0，0.00l

收斂容差為0.0001

TOPITER，20，l

最多執(zhí)行20次迭代

…

ANSYS程序提供了優(yōu)化準(zhǔn)則法和連續(xù)凸函數(shù)尋優(yōu)法兩種拓?fù)鋬?yōu)化的方法，優(yōu)化準(zhǔn)則法相比于連續(xù)凸函數(shù)尋優(yōu)法僅僅只適用于運(yùn)算體積相對(duì)較小的問(wèn)題，而連續(xù)凸函數(shù)尋優(yōu)法則適用于函數(shù)方法的組合解答。由于本文體積數(shù)值較小，所以選擇優(yōu)化準(zhǔn)則法。

3.2空間桁架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

ANSYS程序提供了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的拓?fù)浜瘮?shù)VOLUME，它不僅可以作為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)也可以作為約束條件。在通過(guò)使用ANSYS然間對(duì)目標(biāo)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化中，我們必須對(duì)其進(jìn)行多次的計(jì)算，在通過(guò)數(shù)據(jù)的分析比較后我們發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)結(jié)論：

首先，在數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)，空間結(jié)構(gòu)桁架的鋼板厚度對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化法的實(shí)施不會(huì)造成影響，因此鋼板厚度不再結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮范圍之類(lèi)。

其次，設(shè)計(jì)中在利用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的時(shí)候，不能兼顧到一些結(jié)構(gòu)中的具體細(xì)節(jié)例如：杠桿的長(zhǎng)度、粗細(xì)等等因此在其他的優(yōu)化設(shè)計(jì)中要照顧到結(jié)構(gòu)的美觀、構(gòu)件的制造工藝等等多方面的因素，同時(shí)我們可以調(diào)節(jié)一些優(yōu)化后的結(jié)果，讓構(gòu)件的變動(dòng)更能夠滿(mǎn)足需求。以期達(dá)到理想的目標(biāo)數(shù)值

第三，ANSYS在進(jìn)行再次求和的時(shí)候，構(gòu)件的加權(quán)系數(shù)即可以運(yùn)用先前的數(shù)據(jù)也可以運(yùn)用取加權(quán)系數(shù)后總數(shù)的倒數(shù)，本文取4種工況加權(quán)系數(shù)均為0.25并且加大側(cè)載，優(yōu)化出能承受側(cè)向彎矩的腹桿結(jié)構(gòu)。

第四，ANSYS在進(jìn)行了多種工況加權(quán)求和的時(shí)候，加權(quán)關(guān)系可以用自己預(yù)定定義的數(shù)組，也可以取加權(quán)系數(shù)均為工況總數(shù)的倒數(shù)。在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的一定基礎(chǔ)上，我們還可以利用APDL命令提取相應(yīng)的坐標(biāo)，得到相應(yīng)的構(gòu)件的節(jié)距，讓滿(mǎn)足一定強(qiáng)度條件下的截面在尺寸優(yōu)化得以完成。

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)利用拓?fù)鋬?yōu)化分析，在滿(mǎn)足構(gòu)件條件的基礎(chǔ)上，確定出構(gòu)件的具體尺寸，優(yōu)化出構(gòu)件的設(shè)計(jì)概念。我國(guó)在現(xiàn)代的建筑結(jié)構(gòu)中運(yùn)用ANSYS軟件的拓?fù)鋬?yōu)化方法是一個(gè)重要的進(jìn)步，具有里程碑的意義，在現(xiàn)代社會(huì)中在建筑設(shè)計(jì)中完成合理數(shù)據(jù)的分析，達(dá)到規(guī)范設(shè)計(jì)流程，減少成本、提高美觀度，是建筑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，所以ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化法很值得大力的發(fā)展很推進(jìn)。 [科]

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