加窗渐进结构优化方法及在双层交通混凝土箱梁应用研究

发布时间：2020-09-12 12:40

　　 在结构设计中,工程设计人员期望以最少的材料、最低的成本和最简单的工艺实现性能最佳的结构,结构拓扑优化作为一种在给定负载、约束条件及性能指标下对初始区域内材料分布进行优化的数学方法,受到了设计人员的广泛关注。渐进结构优化算法以其概念清晰、规则简单、计算方便的优点得到了广泛的发展,但由于其在有限元单元数目较多的结构优化计算中因其计算效率低、算法不稳定和棋盘格式现象严重而饱受诟病,为此本文针对渐进结构优化算法中出现的问题展开了一下几方面的研究。(1)渐进结构优化算法通常用于结构最优拓扑找形,指导结构的设计。但由于其删除准则的缺陷易引起计算效率低等一系列问题。本文对删除准则进行了改进,提出了加窗渐进结构优化算法。该算法引入结构整体平均应变能密度作为单元删除准则,同时将单元删除率设定为窗口可调的自适应状态。(2)通过算例分析表明,加窗渐进结构优化算法一定程度上解决了传统渐进结构优化算法中计算效率较低和优化过程易发生畸变的问题,且推广至高阶有限元单元应用后扩大了其应用范围。通过与Michell理论解对比,其构造的拓扑的可靠性也得到了证明。(3)拉杆-压杆模型是研究复杂钢筋混凝土结构材料受力状态的有效工具之一。为研究双层交通混凝土箱梁抗弯条件下腹板的受力机理,本文采用寻优能力强且计算效率高的加窗渐进结构优化算法来构造腹板的拉杆-压杆模型。文中将试验现象与拉杆-压杆模型进行对比,验证了该方法所得结果的准确性,同时建议设计类似构件时圆心分别在距离两端支座L/8处开设直径不大于H/3的圆孔为最佳且圆心应偏想受拉区,跨中开梯形孔最合理。文中总结出的工字梁在不同边界条件下腹板的拉杆-压杆模型为类似构件的设计提供参考。(4)基于加窗渐进结构优化算法对双层交通混凝土箱梁抗弯条件下腹板进行优化设计,以期望为后续的研究提供设计思路。根据拓扑优化解建立单箱三室双层交通混凝土箱梁抗弯条件下的模型,其腹板开孔率为未优化设计方案的1.5倍且只需在跨中设置一根横梁,同时优化模型的应力值范围小于试验模型且跨中位移为试验模型的0.5倍,综合对比优化模型的力学性能优越、工程造价低、通风采光效果更佳。
【学位单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U441
【部分图文】：

尺寸优化

形状优化

拓扑优化

【参考文献】

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本文编号：2817643