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試論基于ANSYS的空間桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)
摘要：隨著大跨度的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式應(yīng)用越來(lái)越廣泛，空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式在不斷的實(shí)踐中得到了很大的發(fā)展。由于空間桁架結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中具有多種優(yōu)良特點(diǎn)，如質(zhì)輕、剛性大、成本較低，更重要的是施工較為簡(jiǎn)便，因而在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中的多項(xiàng)工程中都有著極為廣泛的應(yīng)用，包括航空航天、公路橋梁、水利工程、工業(yè)機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域。而在實(shí)際的工程應(yīng)用中，如果能夠?qū)臻g桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，就能夠更好的實(shí)現(xiàn)大跨度空間結(jié)構(gòu)的效果，并且也可以節(jié)省施工材料和成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)能的建筑設(shè)計(jì)方案。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
就目前的建筑技術(shù)而言，空間桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)一般都是采用拓?fù)鋬?yōu)化或者采用尺寸優(yōu)化。本文中主要論述了采用拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)方法，。所謂拓?fù)鋬?yōu)化，也可以稱之為輪廓優(yōu)化，再往廣義范圍里講，也可以稱之為形狀優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化大概可以分為離散體與連續(xù)體兩種形式，但在實(shí)際的使用中，一般都是采用離散體的拓?fù)鋬?yōu)化方法。這種優(yōu)化方法表現(xiàn)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。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
空間桁架結(jié)構(gòu)作為大跨度建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較常采用的結(jié)構(gòu)形式，其具有材質(zhì)輕、施工簡(jiǎn)便以及通透性好等特點(diǎn)，在體育館、海洋館等有著大跨度要求的建筑結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用，因此提高其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)于保證空間桁架結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，提高桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性來(lái)講都有著很重要的意義。而在對(duì)空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，常常采用ANSYS軟件來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和計(jì)算，通過(guò)ANSYS軟件的強(qiáng)大計(jì)算功能來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)最優(yōu)化的目的。所謂實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)最優(yōu)化，就是指在確保結(jié)構(gòu)的安全的前提下，盡可能的減少材料的使用量，降低工程成本。以達(dá)到最經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能建筑理念和可持續(xù)發(fā)展理念在空間桁架結(jié)構(gòu)中的有效運(yùn)用是有著關(guān)鍵作用的。因此，對(duì)空間桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化處理是非常有必要的。
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)化功能可以用于求得最優(yōu)結(jié)構(gòu)，以獲得最大剛度、最小體積或最大自振頻率。拓?fù)鋬?yōu)化的原理是在滿足結(jié)構(gòu)體積減小量的條件下使結(jié)構(gòu)的柔度極小化，極小化的結(jié)構(gòu)柔度實(shí)際就是要求結(jié)構(gòu)的剛度最大化，優(yōu)化過(guò)程是通過(guò)自動(dòng)改變?cè)O(shè)計(jì)變量，即單元偽密度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單元偽密度為O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型：二維平面單元PLANE2和PLANE82，用于平面應(yīng)力或軸對(duì)稱問(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5.8 m×5.8 m×25 m，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20 mm，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30 mm。結(jié)構(gòu)頂部前端垂直載荷40 t，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)線性結(jié)構(gòu)靜力分析的手段對(duì)其開展了拓?fù)鋬?yōu)化�，F(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)專門用于預(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，O，O.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2種拓?fù)鋬?yōu)化方法：一是優(yōu)化準(zhǔn)則法；二是連續(xù)凸函數(shù)尋優(yōu)法。前者只適用于以體積作為約束條件的問(wèn)題；后者可以用于所有的目標(biāo)函數(shù)和約束條件的組合問(wèn)題。由于本文是把體積作為約束條件，故選擇優(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
在采用ANSYS軟件來(lái)對(duì)空間桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的過(guò)程中，我們?cè)趯?duì)其進(jìn)行多次計(jì)算后比較分析，發(fā)現(xiàn)了在拓?fù)鋬?yōu)化的過(guò)程中可以得出下述幾點(diǎn)結(jié)論：
首先，可以從多次反復(fù)計(jì)算中看出，空間結(jié)構(gòu)桁架的板厚大小并不構(gòu)成對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)施的影響，因此可以不必考慮板厚這一因素對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。
其次，我們?cè)诶肁NSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，并未全面考慮到結(jié)構(gòu)中所使用桿件的長(zhǎng)度、細(xì)度等問(wèn)題，因此在其他的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，若要顧及美觀、或者顧及桿件的長(zhǎng)細(xì)比、或者顧及到桿件的制造工藝需求等多方面因素時(shí)，可以相對(duì)調(diào)整優(yōu)化結(jié)果，使桿件的布置有所變動(dòng)來(lái)滿足設(shè)計(jì)需求。
第三，ANSYS進(jìn)行多工況加權(quán)求和時(shí)，加權(quán)系數(shù)可以用自己預(yù)先定義的數(shù)組，也可以取加權(quán)系數(shù)均為工況總數(shù)的倒數(shù)，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，在得到的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果基礎(chǔ)上，利用APDL命令提取和輸出節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，得出各節(jié)桿的節(jié)距，可以實(shí)現(xiàn)在滿足一定強(qiáng)度條件下桿的截面尺寸優(yōu)化。
4、結(jié)束語(yǔ)
在空間桁架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中，利用ANSYS軟件的拓?fù)鋬?yōu)化功能，建立三維連續(xù)體的優(yōu)化模型，得到多工況下空間桁架的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化分析，在滿足強(qiáng)度條件的基礎(chǔ)上，確定了空間桁架的節(jié)距，為空間桁架桿件的尺寸優(yōu)化提供概念設(shè)計(jì)。不過(guò)在實(shí)際的構(gòu)造空間桁架過(guò)程中還要考慮桿的穩(wěn)定性和制作的工藝性。可以根據(jù)桿件的載荷和柔度在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)各桿件。總體來(lái)講，使用拓?fù)鋬?yōu)化方法來(lái)對(duì)空間桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)還是具有很大的發(fā)展意義的，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)、尤其是對(duì)于空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等大跨度的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的提高，基于ANSYS軟件的拓?fù)鋬?yōu)化方法是一個(gè)重要且具有里程碑意義的現(xiàn)代建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)方法，并且是很值得進(jìn)一步發(fā)展并大力推廣和應(yīng)用的。
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