文章编号:100926825(2007)2020054203基于ANSYS 分析的平面桁架结构优化设计收稿日期:2007201229作者简介:李炳宏(19822),男,后勤工程学院军事建筑工程系硕士研究生,重庆 400041李 新(19812),男,后勤工程学院军事建筑工程系硕士研究生,重庆 400041李炳宏 李 新摘 要:以六杆平面桁架结构为例,利用大型有限元分析软件ANSYS5.7对其按照重量最轻的原则进行了优化分析,实现了利用ANSYS5.7进行结构优化设计的全过程,得到了重量最轻的优化分析结果,在满足工程要求的前提下,节约了大量的工程材料。
关键词:ANSYS ,有限元分析,平面桁架结构,优化设计中图分类号:TU323.4文献标识码:A1 概述在工程实践中,结构优化设计的方法一直是科学工作者和工程技术人员最为关注的问题之一。
从已有工程经验看,与传统设计相比,优化设计可以使土建工程降低造价5%～30%。
20世纪60年代以来,随着计算机计算能力的不断提高,人们把有限元分析的方法和各种数学规划方法相结合,并逐步发展成为一种系统和成熟的方法,使得结构优化的技术得到了更快的发展。
文中以六杆平面桁架为例,利用ANSYS 的优化分析功能对其按照重量最轻的原则进行了优化设计,方便快捷地得到了较好的优化结果(重量最轻),实现了利用ANSYS 的优化分析功能进行平面桁架结构优化设计的全过程。
2 有关ANSYS 优化分析的基本概念ANSYS 优化分析中包括的基本概念有设计变量、状态变量、目标函数、分析文件等。
1)设计变量是作为自变量,通过改变设计变量的数值来实现结果的优化,设计变量的上下限决定了设计变量的变化范围。
坏可能引起结构的连续倒塌和整体破坏。
研究火灾高温下,不同结构的性能变化规律;研究火灾高温下,结构连续倒塌和整体破坏的机理,是结构抗火研究的主要内容。
3.3 混凝土结构抗火设计方法的研究设想混凝土结构的抗火设计可从两个途径进行研究:1)把火灾的高温作用等效为一种荷载,与结构上的其他荷载(恒载、活载、风载、地震作用等)一起参与荷载效应组合,按概率极限状态设计方法进行设计,即建立考虑火灾高温作用的统一的结构设计方法。
2)对已按常规方法完成设计的混凝土结构,进行抗火能力的验算,以满足相应的抗火要求。
除进行抗火计算外,加强结构的抗火构造措施也是提高结构抗火能力的一个重要手段。
需要研究和发掘实用、有效的抗火构造措施,以使结构的抗火能力得到保证。
3.4 火灾后混凝土结构的损伤评估和修复加固方法的研究在具体操作上,可采用观察与计算相结合的方法。
通过观察燃烧残留物的性状和分布,结构表观的物理特征,用回弹法、磁力探伤法、超声法、钻取芯样法、恒压恒速冲击钻法对重要部位进行现场或试验室检测,然后通过计算来确定结构的损伤度。
只有在确定了混凝土结构的火灾损伤度的前提下,才有可能制订出科学、合理的策略和方案,对受损混凝土结构进行修复和加固。
目前,对现有建筑结构加固方法的研究非常活跃,充分研究混凝土结构的火灾损伤特点,借助已有的加固方法和手段,应是火灾后混凝土结构修复加固研究的努力方向。
火灾作为一种多发的灾害,对人们的生命及财产造成惨重的损失。
建筑火灾对混凝土结构造成一定的损伤甚至整体的破坏。
研究混凝土结构的抗火性能,建立混凝土结构的抗火设计方法,建立抗火混凝土结构的损伤评估及修复加固方法,理应成为混凝土结构研究的一项重要任务。
建立我国的混凝土结构抗火设计规范和损伤评估及修复加固规程,应是混凝土结构抗火研究的中期目标。
参考文献:[1]董毓利.混凝土结构的火安全设计[M ].北京:科学出版社,2001.[2]李 卫,过镇海.高温混凝土的强度和变形性能试验研究[J ].建筑结构学报,1993(2):74275.[3]刘永军.钢筋混凝土结构火灾反应数值模拟及软件开发[D ].大连:大连理工大学博士学位论文,2002.5.[4]过镇海,时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算(第一版)[M ].北京:清华大学出版社,2002.[5]时旭东,过镇海.高温下钢筋混凝土受力性能的试验研究[J ].土木工程学报,2000(4):76277.Investigation on state 2of 2the 2art of f ire 2resistance design for concrete structuresWU Wen 2fa WANG H ong 2yongAbstract :This paper summarizes the state 2of 2the 2art of the research reset on fire 2resistance performance of reinforced concrete structures ,pro 2poses the development of researches on fire 2resistance design of reinforced concrete structures ,brings forward the design method of fire 2resis 2tance of concrete structures based on calculation and makes suggestions to the content of the regulation about fire 2resistance design of concrete structres.K ey w ords :concrete structure ,fire 2resistance performance ,fire 2resistance design・45・第33卷第20期2007年7月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.33No.20J ul. 2007 2)状态变量是因变量,是设计变量的函数,通过它可以约束设计。
3)目标函数是设计变量的函数,是希望尽量减小的数值,改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。
4)分析文件是ANSYS 命令流输入文件,包括完整的分析过程,必须包含参数化模型,用参数定义模型并指定设计变量、状态变量和目标函数,由它生成循环文件,并在优化计算中循环处理。
3 实例分析3.1 问题描述如图1所示为一个六杆平面桁架结构模型,按照重量最轻原则,进行该平面桁架的结构优化设计。
3.2 基本参数外加荷载:F =800kN 。
分析中使用如下材料特性:弹性模量:E =2.06×105MPa ;泊松比:0.3;材料密度:7.8×103kg/m 3;容许应力:215MPa 。
分析中使用如下几何属性:横截面积变化范围:0.003m 2～0.3m 2。
3.3 建立优化设计数学模型设桁架各杆的横截面积分别为A 1,A 2,…,A 6,各杆初始横截面积均取为0.3m 2。
根据所分析的问题的性质,选取各杆横截面积A 1,A 2,…,A 6为设计变量;选取各杆应力σi 为状态变量;目标函数为桁架的最小重量。
综上所述,该六杆桁架重量最轻的优化数学模型为:min W T (X )X =[x 1,x 2,…,x σ]=[A 1A 2,…,A 6]s.t.0.003≤A 1,A 2,…,A 6≤0.30≤σ1,σ2,…,σ6≤2153.4 进行ANSYS 有限元结构优化设计利用ANSYS 的优化分析功能进行结构优化设计的步骤如下:1)参数化建立模型;2)求解;3)提取并指定状态变量和目标函数;4)生成循环所用的分析文件;5)进入优化处理器,指定分析文件;6)声明优化变量(设计变量、状态变量以及目标函数);7)选择优化工具或优化方法(采用精度较高的一阶优化方法);8)指定优化循环控制方式(寻优迭代次数设定为50次);9)进行优化设计;10)查看设计序列结果及后处理。
缺省允差由计算机默认选择,为了便于收敛,采用一阶方法的优化分析中将目标函数的允差设定为2。
3.5 结果分析桁架的重量、桁架各杆的应力和横截面积等参数随寻优迭代次数的变化情况如图2～图4所示。
进行ANSYS 优化分析时,当寻优迭代进行到第22次时,桁架重量取得最小值,其最优设计序列如表1所示(表中数值单位均采用国际单位)。
表1 最优设计序列状态变量σ1σ2σ3σ4σ5σ6最优值 1.2113×1082.17×1081.993×1071.993×1071.779×1082.059×108设计变量A 1A 2A 3A 4A 5A 6最优值7.0979×10-3 3.0×10-3 3.0×10-3 5.8842×10-3 5.9053×10-3 3.0×10-1目标函数桁架最小重量:W T =1150.3kg 以上利用大型有限元软件ANSYS 的优化分析功能,得到了桁架的最小重量为1150.3kg ,与初始设计重量63914kg 相比,得到了很大程度的减轻,由此可见,利用ANSYS 有限元分析进行平面桁架结构重量最轻的优化设计,其效果是非常明显的。
在确定桁架受压杆件的截面形式时,还应考虑杆件长细比要求,如超过杆件长细比限值,则应改变压杆件截面形式使之满足长细比要求,或者根据长细比限值重新确定压杆横截面积,使之在杆件长细比允许的范围内。
4 结语使用ANSYS 有限元优化分析功能解决优化问题的突出优点是可以避免繁杂的计算和计算机编程而得到最优解,其计算误差很小,完全能满足工程精度要求。
文中采用ANSYS 有限元优化分析对六杆桁架结构在满足横截面积约束及应力约束的条件下进行了重量最轻的优化设计,取得了较为满意的优化结果。
该方法也可推广到其他工程结构优化设计领域。
通过对六杆平面桁架结构的优化设计分析,可以看到AN 2SYS 的优化设计功能非常强大。
应用ANSYS 优化工具箱进行建模、有限元分析和优化设计问题求解,不用编写大量优化算法程序,不但提高了设计效率,而且能达到较高的设计精度,并且能在很大程度上节约工程材料、减少设计成本和设计周期,使结构设计更为经济、科学、合理。
参考文献:[1]崔 猛.ANSYS 对平面三杆桁架的优化设计[J ].基础研究,2003,6(32):25226.[2]马雪洁.基于ANSYS 的桁架优化设计[J ].焦作大学学报,2004(10):4.・55・ 第33卷第20期2007年7月 李炳宏等:基于ANSYS 分析的平面桁架结构优化设计文章编号:100926825(2007)2020056202砖石古塔动力特性初探收稿日期:2007202205作者简介:魏俊亚(19772),女,硕士,助教,天津城市建设学院,天津 300381张东平(19782),男,工程师,天津市房屋勘测设计研究院,天津 300070魏俊亚 张东平摘 要:结合历史、考古资料,分析了我国现存砖石古塔的研究现状,提出了对砖石古塔的自振周期的计算公式,为古塔的抗震计算、鉴定及抗震加固提供了一定的参考数据。