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篇(1)

關(guān)健詞 船舶結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào) U66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2013）103-0100-02

進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是尋求合適的結(jié)構(gòu)形式和最佳的構(gòu)件尺寸，既保證船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、頻率和剛度等一般條件，又保證其具有很好的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性能、使用性能和工藝性能。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)分析與模擬基礎(chǔ)上建立的船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，借鑒了相關(guān)的工程學(xué)科的基本規(guī)律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也取得了較大的進(jìn)步；建立在人工智能原理與專家系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上的智能型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法也取得了突破性進(jìn)展。

1經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他認(rèn)為在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)把給定條件的結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)變成目標(biāo)函數(shù)求極值的數(shù)學(xué)問(wèn)題。這一方法很快得到了其他專家的認(rèn)可。1966年，D.Kavlie與J.Moe 等首次將數(shù)學(xué)規(guī)劃法應(yīng)用于船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，翻開(kāi)了船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新篇章。我國(guó)的船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潛艇在中剖面、框架、板架和圓柱形耐壓殼等基本結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

由于船舶結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的板梁組合結(jié)構(gòu)，在受力和使用的要求上也很高，所以在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)涉及到許多設(shè)計(jì)變量與約束條件，工作內(nèi)容很多，十分困難。船舶結(jié)構(gòu)的分級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)法就是在這個(gè)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，其基本思路是最優(yōu)配置第一級(jí)的整個(gè)材料，優(yōu)選第二級(jí)的具體結(jié)構(gòu)的尺寸。每一級(jí)又可以根據(jù)具體情況劃分成若干個(gè)子級(jí)。兩級(jí)最后通過(guò)協(xié)調(diào)變量迭代，將整個(gè)優(yōu)化問(wèn)題回歸到原問(wèn)題。分級(jí)優(yōu)化方法成功地解決了進(jìn)行船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)中的剖面結(jié)構(gòu)、船舶框架和板架、潛艇耐壓殼體等一系列基本問(wèn)題。

2 多目標(biāo)的模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法

經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法是在確定性條件下進(jìn)行的， 也就是說(shuō)目標(biāo)函數(shù)與約束條件是人為的或者按某種規(guī)定提出的，是個(gè)確定的值。但是在實(shí)際上， 在船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程、約束條件、評(píng)價(jià)指標(biāo)等各方面都包含著許多的模糊因素，想要實(shí)現(xiàn)模糊因素優(yōu)化問(wèn)題， 就必須依賴于模糊數(shù)學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的主要形式是：

式中j 和j分別是第j性能或者幾何尺寸約束里的上下限。

模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法大大的增加了設(shè)計(jì)者在選擇優(yōu)化方案時(shí)的可能性， 讓設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)方案的形態(tài)有了更深入的了解。目前，模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法發(fā)展很快， 但是，還未實(shí)現(xiàn)完全實(shí)用化。多目標(biāo)的模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法的難點(diǎn)主要在于如何針對(duì)具體設(shè)計(jì)對(duì)象， 正確描述目標(biāo)函數(shù)的滿意度與約束函數(shù)滿足度隸屬函數(shù)的問(wèn)題。

3 基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法首先在40 年代后期由原蘇聯(lián)引入到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 產(chǎn)生了安全度理論。這種理論以材料勻質(zhì)系數(shù)、超載系數(shù)、工作條件系數(shù)來(lái)分析考慮材料、載荷及環(huán)境等隨機(jī)性因素。早在50年代，人們就在船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中指出了可靠性概念，隨后，船舶設(shè)計(jì)的可靠性受到人們的重視，開(kāi)始研究可靠性設(shè)計(jì)方法在船舶結(jié)構(gòu)建造中的應(yīng)用。

船舶結(jié)構(gòu)可靠性的理論和方法根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同要求， 可以得出不同的結(jié)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。大體分為以下3種：

1）根據(jù)結(jié)構(gòu)的可靠性R·，要求結(jié)構(gòu)的重量W最輕，即：

MinW（X），s.t.R ≧R·

2）根據(jù)結(jié)構(gòu)的最大承重量W·， 要求結(jié)構(gòu)的可靠性最大或者破損概率最小，即：

Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·

3）兼顧結(jié)構(gòu)重量和可靠性或破損概率， 實(shí)現(xiàn)某種組合的滿意度達(dá)到最大，即：

Max[a1uw（X）+a2upf（X）]

式中， a1，a2分別代表結(jié)構(gòu)重量和破損概率的重要度程度， 而且滿足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分別為代表相應(yīng)的滿意度。

關(guān)于船舶結(jié)構(gòu)的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究越來(lái)越多， 逐漸成為船舶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要方向。但是，可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法除了在大規(guī)模的隨機(jī)性非線性規(guī)劃求解中存在困難外， 還有一個(gè)重要的難點(diǎn)在于評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)可靠性的過(guò)程很復(fù)雜， 而且計(jì)算量大。

4 智能型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

隨著人工智能技術(shù)（Al）和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展， 給船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的途徑，也就是智能型優(yōu)化設(shè)計(jì)法。

智能型的優(yōu)化設(shè)計(jì)法的基本做法為：搜索優(yōu)秀的相關(guān)產(chǎn)品資料，通過(guò)整理，概括成典型模式，再進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析、類比分析和敏度分析尋找設(shè)計(jì)對(duì)象和樣本模式間的相似度、差異性與設(shè)計(jì)變量敏度等，按某種準(zhǔn)則實(shí)施的樣本模式進(jìn)行變換， 進(jìn)而產(chǎn)生若干符合設(shè)計(jì)要求的新模式， 經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估與經(jīng)典優(yōu)化方法的調(diào)參和優(yōu)選， 最終取得最優(yōu)方案。

智能型的優(yōu)化設(shè)計(jì)法法的優(yōu)點(diǎn)是創(chuàng)造性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是可靠性較弱。所以在分析計(jì)算其產(chǎn)生的各種性能指標(biāo)時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行多目標(biāo)的模糊評(píng)估， 必要時(shí)還應(yīng)當(dāng)使用經(jīng)典優(yōu)化方法對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)論

通過(guò)本文對(duì)船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究，我們得出在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候， 往往會(huì)涉及到很多相互制約和互相影響的因素， 這就需要設(shè)計(jì)人員權(quán)衡利弊， 進(jìn)行綜合考察， 不但要進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)選，而且還要針對(duì)具體情況對(duì)做出的方案進(jìn)行評(píng)估、優(yōu)選和排序。通過(guò)什么準(zhǔn)則對(duì)不同的方案進(jìn)行綜合評(píng)估，得出最優(yōu)方案， 成為專家和設(shè)計(jì)人員需要繼續(xù)研究的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]郭軍，肖熙.基于可靠性的船體結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（1）.

篇(2)

[關(guān)鍵詞]型鋼混凝土；組合結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào)：TU398.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）01-0136-01

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)主要由以下兩個(gè)方面組成：①型鋼混凝土柱；②型鋼混凝土梁。型鋼混凝土具有承載力高以及彈塑性好等特點(diǎn)，目前來(lái)看，型鋼混凝土在工程應(yīng)用方面有很大的發(fā)展前景。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的單調(diào)加載條件與循環(huán)加載條件下的受力性能研究有較大的應(yīng)用前景，在循環(huán)荷載作用下呈現(xiàn)出較好的性能。從型鋼混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)展裂縫情況不難看出，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下被分為以下三個(gè)階段：①塑性破壞階段；②彈性階段；③彈塑性階段。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在低周反復(fù)荷載作用下具有良好的耗能能力，尤其是在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的延性以及剛度方面。

1 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)主要指的是把型鋼埋入到混凝土中的結(jié)構(gòu)形式，在操作過(guò)程中主要先通過(guò)定位放線最后再進(jìn)行混凝土澆筑，被分為以下兩種類型：①部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)形式；②全部結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)形式。上述兩種結(jié)構(gòu)類型都適用于以下四種結(jié)構(gòu)：①框架結(jié)構(gòu)；②底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)；③筒中筒結(jié)構(gòu)；④框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的型鋼結(jié)構(gòu)相比，具有以下三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：①能夠更為節(jié)約鋼材；②具有良好的耐久性以及耐火性；③受力性能良好。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)具有以下三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：①施工周期較短；②抗震性能較好；③承載力較高。型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)具備以下兩種結(jié)構(gòu)類型的特點(diǎn)：①型鋼結(jié)構(gòu)類型；②鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)類型。為了讓人們能夠更加清楚了解型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，筆者將針對(duì)型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)的混凝土和型鋼的計(jì)算和優(yōu)化方法進(jìn)行研究。舉例來(lái)說(shuō)，型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)中的型鋼與混凝土之間相互約束，在一定程度上提高了混凝土的強(qiáng)度和型鋼的強(qiáng)度，有效增加了整體構(gòu)件的延性、構(gòu)件抗震性能以及改善混凝土本身不利于抗震的脆弱性。眾所周知，智利是地震多發(fā)國(guó)家，智利國(guó)家尤其重視型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)的性能研究和基礎(chǔ)工程應(yīng)用。例如，1973年建成的圣地亞哥，其所用結(jié)構(gòu)為型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，在地震中基本沒(méi)有受到很大損毀，繼而引起了日本建筑工程行業(yè)的重視。

2 型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法

型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)在優(yōu)化設(shè)計(jì)中基本以變量結(jié)構(gòu)的參數(shù)形式出現(xiàn)，在根據(jù)相關(guān)要求的基礎(chǔ)上，形成型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)方案。簡(jiǎn)而言之，型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要利用數(shù)學(xué)手段，并且按照設(shè)計(jì)者所規(guī)定的要求從中選出一個(gè)最為理想的方案。型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)如下：①以有限單元法為基礎(chǔ)的分析方法；②以數(shù)學(xué)規(guī)劃為計(jì)算手段；③以現(xiàn)代高速計(jì)算機(jī)為工具；④最終得出設(shè)計(jì)方案。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程具備靈活性等特點(diǎn)，再通過(guò)有限次的計(jì)算能夠使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案逐漸改善。筆者將根據(jù)相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題算法來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：①簡(jiǎn)單解法；②數(shù)學(xué)規(guī)劃法；③準(zhǔn)則法。

（1）簡(jiǎn)單解法。當(dāng)設(shè)計(jì)變量處于不多的情況下，可以采用簡(jiǎn)單解法。一般來(lái)說(shuō)，圖解法對(duì)設(shè)計(jì)變量小于或者等于2h，效果達(dá)到最為理想。對(duì)于柱與板的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題需要采用松弛變量法，此種方法對(duì)求解約束條件要求不是很高。

（2）數(shù)學(xué)規(guī)劃法。數(shù)學(xué)規(guī)劃法（Mathematical Programming，MP）從結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理角度出發(fā)，選用MP來(lái)尋找設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)解。此種解答方法發(fā)展比較早，用途也較為廣泛。數(shù)學(xué)規(guī)劃法中主要包含以下幾個(gè)方面的解法：①線性規(guī)劃；②非線性規(guī)劃；③動(dòng)態(tài)規(guī)劃；④幾何規(guī)劃。其中線性規(guī)劃問(wèn)題的解決方法較為成熟，在處理目標(biāo)函數(shù)方面能夠設(shè)計(jì)變量的線性函數(shù)問(wèn)題。非線性規(guī)劃則主要應(yīng)用目標(biāo)函數(shù)的方法，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有約束的非線性規(guī)劃問(wèn)題，在解答過(guò)程中有較大難度。例如，目前最常使用的導(dǎo)數(shù)分析方法以及梯度投影法等。

（3）準(zhǔn)則法。準(zhǔn)則法主要從工程方面的觀點(diǎn)出發(fā)，從預(yù)先規(guī)定的結(jié)構(gòu)來(lái)滿足相關(guān)準(zhǔn)則（能量準(zhǔn)則、位移準(zhǔn)則、頻率準(zhǔn)則以及應(yīng)力準(zhǔn)則等），為了滿足上述準(zhǔn)則條件應(yīng)該使用結(jié)構(gòu)最輕的材料。使用的相關(guān)方法為：利用最為優(yōu)化的桿系結(jié)構(gòu)，重新分析設(shè)計(jì)變量初始，一旦計(jì)算量不夠大時(shí)，需要使用已經(jīng)設(shè)定好的幾個(gè)布局。準(zhǔn)則法有其自身的缺陷，從工程應(yīng)用方面來(lái)看，型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)比較方便，能夠更容易被人接受。在早期，準(zhǔn)則法能夠滿足應(yīng)力設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力在某種情況下達(dá)到允許的范圍力之內(nèi)，充分發(fā)揮出材料強(qiáng)度的潛力。上述所說(shuō)的方法在發(fā)展的基礎(chǔ)上與框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力設(shè)計(jì)兩者相互結(jié)合，從而處理彈性穩(wěn)定方面以及位移方面等約束條件。

3 型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理

型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)由柱構(gòu)件與規(guī)則截面的桿系梁組成，在設(shè)計(jì)過(guò)程中均采用部分優(yōu)化的方法。在滿足相關(guān)建筑要求的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的平立面布置（抗震功能首先考慮原則基礎(chǔ)上），進(jìn)一步確定好梁的跨度與柱的高度?；诖?，按照經(jīng)濟(jì)跨高比和框架梁進(jìn)行初步選型，最終得出型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)的初始截面。在上述初始方案基礎(chǔ)上，采用有限單元法分析不同荷載情況下的受體力分析，最后得到剪力、軸力的組合值，再計(jì)算出常規(guī)設(shè)計(jì)所需要的參數(shù)值。例如，柱的計(jì)算長(zhǎng)度以及梁的剪跨比等指標(biāo)。將型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)離散柱構(gòu)件與桿系梁根據(jù)已經(jīng)得到的受力條件來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)柱與梁，再得到工程的總造價(jià)。利用變量方法來(lái)進(jìn)行二次處理，直到前后2次的設(shè)計(jì)方案能夠接近并且最終得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。簡(jiǎn)而言之，確定好方案1之后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，通過(guò)分部方案1優(yōu)化得到方案2，在進(jìn)行分部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面：①利用結(jié)構(gòu)分析得到剪力值、軸力值，繼而能夠優(yōu)化截面；②對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，初始截面的選擇相對(duì)于構(gòu)件內(nèi)力所需要的截面來(lái)說(shuō)不夠充分，優(yōu)化后構(gòu)件的截面將會(huì)有效增大，重新分析構(gòu)件內(nèi)力時(shí)將會(huì)取得更大的效果。對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程，其構(gòu)件內(nèi)力始終和截面保持不一致，此種差距不會(huì)隨著結(jié)構(gòu)重分析次數(shù)的增加而減少，在優(yōu)化構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力應(yīng)該引M超松弛系數(shù)，S′=S（S/R）α，其中S′代表構(gòu)件內(nèi)力，S為前一次結(jié)構(gòu)重分析得到的構(gòu)件內(nèi)力，R為優(yōu)化前構(gòu)件抗力；α代表超松弛系數(shù)，α=0.4。

型鋼混凝土框架梁的截面寬度不宜小于300mm，截面的高度和寬度的比值不宜大于4，為了進(jìn)一步保證框架梁對(duì)框架節(jié)點(diǎn)的約束作用，便于施工過(guò)程中能夠充分考慮到截面高度比值、寬度比值等，型鋼混凝土框架梁在支座處和上翼緣受有較大固定集中荷載處，應(yīng)在型鋼腹板兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置支承加勁肋。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)作為一種工程方法，型鋼混個(gè)凝土組合結(jié)構(gòu)連續(xù)變量所得到的結(jié)果不能夠直接被應(yīng)用，在初步優(yōu)化設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，收斂的速度也能夠接近優(yōu)化解，當(dāng)變量較多時(shí)此種途徑能夠帶來(lái)較寬的時(shí)間效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]王秋維，史慶軒，侯煒，等.型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)基于增量動(dòng)力分析的抗震性能評(píng)估【J】.世界地震工程，2011，27.

篇(3)

關(guān)鍵詞：隔膜泵；隔膜腔；機(jī)械強(qiáng)度；ANSYS

中圖分類號(hào)：TH323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作為高壓隔膜泵液力端的核心部件，隔膜腔在輸送固液兩相流體過(guò)程中起到了非常重要的作用。隔膜腔用于連接隔膜室蓋、進(jìn)料閥和出料閥，因此隔膜腔的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮流體壓力、螺栓預(yù)緊力和其他因素的影響。本文以某大型高壓隔膜泵中隔膜腔為研究對(duì)象，基于有限元方法對(duì)隔膜腔進(jìn)行了靜力強(qiáng)度分析。通過(guò)ANSYS的后處理分析模塊獲得了隔膜腔的應(yīng)力分布，扭曲和應(yīng)力線性化結(jié)果。根據(jù)ASME VIII-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隔膜腔的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了校核，并在此基礎(chǔ)上對(duì)隔膜腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。分析結(jié)果可為隔膜腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和降低成本提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 有限元模型的建立

圖1（a）給出了隔膜腔的剖面圖，從圖中可以看出兩個(gè)內(nèi)腔圓角和最小壁厚分別用R1，R2和d表示。通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks畫(huà)出隔膜腔的1/4對(duì)稱模型，如圖1（b）所示。隔膜腔的材料采用ZG20Mn，材料屬性如下：拉伸強(qiáng)度σb為510MPa，屈服極限σs為295MPa。根據(jù)ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，材料的許用應(yīng)力可通過(guò)下式計(jì)算出來(lái)。

Sm=min（σb/2.4， σs/1.5）（1）

將SolidWorks建立的隔膜腔幾何模型輸出為SAT格式檔并導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS，在ANSYS的前處理模塊對(duì)隔膜腔劃分網(wǎng)格。應(yīng)力集中區(qū)域需要局部網(wǎng)格加密，最后獲得隔膜腔有限元模型的單元數(shù)為173812，節(jié)點(diǎn)數(shù)為36952。根據(jù)隔膜泵實(shí)際的工作狀態(tài)，定義隔膜腔的邊界條件和載荷如下：隔膜腔的對(duì)稱面施加對(duì)稱邊界約束，定義隔膜腔和隔膜室蓋螺栓連接處施加600000N的預(yù)緊力，隔膜腔和出料閥螺栓連接處定義80000N的螺栓預(yù)緊力，隔膜腔內(nèi)受液體壓力的面施加20MPa的壓力。圖2給出了隔膜腔的載荷約束圖。

2 應(yīng)力分類及強(qiáng)度評(píng)定

圖3給出了隔膜腔的Von Mises應(yīng)力圖和位移云圖。從圖中可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在隔膜腔的相貫線處。根據(jù)ASME VIII-2標(biāo)準(zhǔn)，定義了用于強(qiáng)度校核的四條線性化的應(yīng)力計(jì)算路徑，如圖4所示。選擇這些路徑的原理如下：沿著壁厚的方向，根據(jù)最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)定義一條或多條應(yīng)力計(jì)算路徑。應(yīng)力線性化計(jì)算路徑還應(yīng)當(dāng)在隔膜腔的應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行定義。

根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的原因、應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力的性質(zhì)，壓力容器應(yīng)力可以大致分為：主整體膜應(yīng)力（Pm），主局部膜應(yīng)力（PL），主彎曲應(yīng)力（Pb）和次應(yīng)力（Q）。利用這些應(yīng)力和如下的校核方法可對(duì)隔膜腔的強(qiáng)度進(jìn)行校核：主總體膜應(yīng)力的等效值應(yīng)當(dāng)小于金屬材料的許用應(yīng)力（Sm）。考慮到應(yīng)力的位置，主局部膜應(yīng)力的等效值應(yīng)當(dāng)小于1.5倍材料許用應(yīng)力（1.5Sm）。根據(jù)極限載荷設(shè)計(jì)理論，當(dāng)膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力同時(shí)存在時(shí)，他們的和應(yīng)當(dāng)小于1.5倍的材料許用應(yīng)力（1.5Sm）。更進(jìn)一步考慮次應(yīng)力的限制條件時(shí)，Pm（PL）+Pb+Q應(yīng)當(dāng)小于3倍的材料許用應(yīng)力（3Sm）。

通過(guò)ANSYS的后處理模塊，畫(huà)出了沿著四條應(yīng)力計(jì)算路徑的等效應(yīng)力變化曲線，如圖5所示。四條應(yīng)力計(jì)算曲線的最大等效應(yīng)力列在了表1中。

表1 不同路徑的最大等效應(yīng)力

路徑 薄膜應(yīng)力（MPa） 薄膜+彎曲（MPa） 總應(yīng)力（MPa）

1 40.12 84.25 90.74

2 33.25 82.03 94.22

3 44.45 66.49 62.83

4 45.38 58.16 62.85

將表1中的應(yīng)力數(shù)據(jù)帶入應(yīng)力校核公式，可獲得隔膜腔的應(yīng)力校核結(jié)果，如式2-5所示。結(jié)果表明隔膜腔的應(yīng)力滿足強(qiáng)度使用要求。

Pm=40.12MPa

PL=45.38MPa< 1.5Sm=295.05MPa （3）

Pb +PL=84.25MPa< 1.5Sm=295.05MPa（4）

Pb +PL+Q=94.22MPa< 3Sm=590.1MPa（5）

通過(guò)修改隔膜腔的結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化隔膜腔的結(jié)構(gòu)并降低制造成本。結(jié)構(gòu)的修改方法如下：保持內(nèi)腔幾何尺寸不變，壁厚減小30mm，修改結(jié)構(gòu)前后的模型對(duì)比如圖6所示。

根據(jù)相同的應(yīng)力分析方法，用ANSYS軟件對(duì)修改結(jié)構(gòu)后的隔膜腔進(jìn)行應(yīng)力分析。修改結(jié)構(gòu)后的隔膜腔的應(yīng)力線性化路徑的定義位置與改結(jié)構(gòu)之前的位置相同。修改結(jié)構(gòu)的隔膜腔的最大等效應(yīng)力列在表2中。

表2 不同路徑的最大等效應(yīng)力

（修改結(jié)構(gòu)）

路徑 薄膜應(yīng)力（MPa） 薄膜+彎曲 （MPa） 總應(yīng)力（MPa）

1 60.38 137.25 148.67

2 50.42 128.57 155.38

3 68.76 109.32 126.04

4 69.81 97.49 132.72

根據(jù)表2中的等效應(yīng)力，按照ASME VIII-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隔膜腔的強(qiáng)度進(jìn)行校核，可以看出修改結(jié)構(gòu)后的隔膜腔同樣滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)用于遠(yuǎn)距離管道輸送的某型隔膜泵隔膜腔的應(yīng)力分析和校核，可得到如下結(jié)論：

可通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)隔膜腔進(jìn)行靜應(yīng)力分析，并且獲得了工作壓力下隔膜腔的最大應(yīng)力位置和最大應(yīng)力值。

根據(jù)ASME VIII-2標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)力的分類，在隔膜腔1/4對(duì)稱模型上定義了四條不同的應(yīng)力線性化計(jì)算路徑，并且通過(guò)ANSYS后處理模塊獲得了等效應(yīng)力變化曲線。隔膜腔的機(jī)械強(qiáng)度通過(guò)相關(guān)的應(yīng)力校核方法進(jìn)行了校核，結(jié)果顯示修改結(jié)構(gòu)前后的隔膜腔結(jié)構(gòu)均滿足強(qiáng)度要求。

通過(guò)減小壁厚獲得了一種新的隔膜腔結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)通過(guò)校核滿足強(qiáng)度使用要求，通過(guò)比較結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)減小了重量，降低了制造成本。

參考文獻(xiàn)

[1]ANSYS help. USA： ANSYS company，2010.

篇(4)

針對(duì)傳統(tǒng)的安全因數(shù)法考慮載荷和強(qiáng)度不確定性因素對(duì)飛機(jī)安全性的影響太籠統(tǒng)，無(wú)法從根本上減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的問(wèn)題，提出一種飛機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型計(jì)算結(jié)構(gòu)單元的可靠度，建立以單元滿可靠度為準(zhǔn)則的優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)包含可靠性約束的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化.該功能已經(jīng)加入到COMPASS中.算例結(jié)果表明該方法能夠減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，改善結(jié)構(gòu)可靠度. 該方法為開(kāi)展飛機(jī)結(jié)構(gòu)不確定性設(shè)計(jì)提供技術(shù)手段.

關(guān)鍵詞：

飛機(jī)； 薄壁結(jié)構(gòu)； 準(zhǔn)則法； 可靠性； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 關(guān)鍵元； COMPASS

中圖分類號(hào)： V214.19

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

隨著輕質(zhì)材料的大量應(yīng)用，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量越來(lái)越輕、性能越來(lái)越好.例如，歐美兩大飛機(jī)制造商空客和波音公司最新研制的A350和B787客機(jī)，復(fù)合材料的使用量已達(dá)到甚至超過(guò)50%，新型金屬合金材料也占有較高的比例.輕質(zhì)材料的大量使用雖然能大幅減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，但并不能從根本上解決結(jié)構(gòu)質(zhì)量突出的問(wèn)題，主要原因在于當(dāng)前飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍沿用確定性設(shè)計(jì)思想即安全因數(shù)法，該方法比較保守，籠統(tǒng)考慮載荷和強(qiáng)度不確定性因素對(duì)安全性的影響.[1]為解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的不足，飛行器設(shè)計(jì)嘗試開(kāi)展可靠性設(shè)計(jì).[2]在現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，本文提出一種可行的結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)COMPASS為平臺(tái)，研究考慮可靠性約束的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).目前，該方法主要針對(duì)飛機(jī)薄壁結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)需展開(kāi)相應(yīng)研究，包括失效分析和可靠性分析等.

1優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

篇(5)

關(guān)鍵詞：可靠度；橋梁結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；設(shè)計(jì)

Abstract: based on the reliability of bridge structure optimization design will bridge structure as a whole study, but also to consider and deal with the design of bridge structure stochastic uncertainty, a traditional structure optimization design is more reasonable. The paper based on reliability of bridge structure optimization design basic ideas and development direction.

Keywords: reliability; Bridge structure; Optimization; design

中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1引言

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則是安全、適用和經(jīng)濟(jì)。傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是采用定值設(shè)計(jì)的方法，既不能描述和處理橋梁結(jié)構(gòu)中客觀存在的各種不確定性因素，也不能定量地分析計(jì)算安全、適用及經(jīng)濟(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)，更無(wú)法科學(xué)地協(xié)調(diào)它們之間的矛盾，使它們達(dá)到合理的平衡。事實(shí)上，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法追求的是一個(gè)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范條件下的最低水平設(shè)計(jì)，因而提出新思路、研究新方法是十分必要的。

當(dāng)前，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在橋梁工程領(lǐng)域日益受到重視，但其應(yīng)用的范圍和程度還很不理想。其原因除了橋梁工程設(shè)計(jì)取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)不利于推動(dòng)優(yōu)化技術(shù)之外，還可歸結(jié)為橋梁工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題的如下特點(diǎn)：

（1）橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的大量不確定性。如外部環(huán)境（荷載和結(jié)構(gòu)所處場(chǎng)地類型等）的不確定性、結(jié)構(gòu)本身的不確定性（結(jié)構(gòu)材料性能、截面幾何參數(shù)和計(jì)算模式的精度等不確定因素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的不確定性）、結(jié)構(gòu)整體分析中由于模型簡(jiǎn)化的誤差而導(dǎo)致的不確定性等。為了充分考慮所涉及到的各種不確定性因素（目前主要考慮隨機(jī)性因素），必須采用結(jié)構(gòu)可靠度理論。

（2）橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的多重性。包括承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)、正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)以及與其它特殊功能要求相聯(lián)系的極限狀態(tài)。

（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)的多樣性。對(duì)橋梁工程來(lái)說(shuō)，人們既要求在目標(biāo)方面考慮結(jié)構(gòu)造價(jià)，還要考慮不同功能的失效概率和失效損失造成的失效損失期望、結(jié)構(gòu)運(yùn)行和維修費(fèi)用等在內(nèi)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，還可以以某些特定結(jié)構(gòu)功能為目標(biāo)。另外，目標(biāo)函數(shù)的性質(zhì)也很復(fù)雜，既有設(shè)計(jì)變量的顯式函數(shù)（結(jié)構(gòu)的重量或造價(jià)），又有設(shè)計(jì)變量的非線性、高度隱式函數(shù)（結(jié)構(gòu)的失效損失期望）；而且由結(jié)構(gòu)造價(jià)和結(jié)構(gòu)損失期望的加權(quán)和所構(gòu)成的統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)不具有對(duì)設(shè)計(jì)變量的單調(diào)性。

2結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型可以決策出各個(gè)構(gòu)件的最優(yōu)可靠度，各個(gè)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是以最小的造價(jià)實(shí)現(xiàn)它的最優(yōu)可靠度。這就將結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)化為一個(gè)兩層次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

2.1層次一――結(jié)構(gòu)可靠度的最優(yōu)分配

在無(wú)約束條件下，尋求結(jié)構(gòu)可靠度的最優(yōu)分配就是求解如下的數(shù)學(xué)規(guī)劃：求

Psii＝1，2，…，K…。

min W＝C＋L（1）

式中：W為目標(biāo)函數(shù)；C為結(jié)構(gòu)造價(jià)；L為結(jié)構(gòu)的損失期望；K為構(gòu)件數(shù)目；Psi為第i個(gè)構(gòu)件的可靠度。

以上模型中的C和L目前只能利用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法、半理論半經(jīng)驗(yàn)法等求得其近似表達(dá)式。

對(duì)不同的結(jié)構(gòu)及不同的情況（如考慮構(gòu)件失效的相關(guān)性及構(gòu)件之間的串并邏輯關(guān)系），C和L具有不同的表達(dá)形式。因此，尋求C和L的合理表達(dá)式是有待于進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

結(jié)構(gòu)可靠度的最優(yōu)分配模型中，采用目標(biāo)函數(shù)W＝C＋L，將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化，使問(wèn)題得到了極大的簡(jiǎn)化。

求解數(shù)學(xué)規(guī)劃（2），便可決策出各個(gè)構(gòu)件的最優(yōu)可靠度Psi＊（i＝1，2，…，K）。它們是從結(jié)構(gòu)整體的近期效益和長(zhǎng)遠(yuǎn)效益出發(fā)，結(jié)合投資條件為各個(gè)構(gòu)件規(guī)定的控制指標(biāo)，既是安全的指標(biāo)，又是經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)，因而是各個(gè)構(gòu)件的最佳控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2層次二―――結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件優(yōu)化

在決策Psi＊（i＝1，2，…，K）時(shí)己考慮了結(jié)構(gòu)的近期投資和長(zhǎng)遠(yuǎn)效益，因此，在構(gòu)件設(shè)計(jì)變量的細(xì)部?jī)?yōu)化時(shí)就只需考慮如何以最小的造價(jià)Ci＊（i＝1，2，…，K）使構(gòu)件具有規(guī)定的可靠度即可。這就是結(jié)構(gòu)整體利益指導(dǎo)下的構(gòu)件變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。它的數(shù)學(xué)模型就是解如下的數(shù)學(xué)規(guī)劃：

求X

min C（X）

s.t.PS（X）＝PS＊（2）

式中：X為設(shè)計(jì)變量，為了一般化，上式中的符號(hào)均未加下標(biāo)。

解決問(wèn)題的另一途徑就是找出結(jié)構(gòu)造價(jià)和可靠度之間的比較精細(xì)合理的函數(shù)關(guān)系，這時(shí)，C（PS＊）就是構(gòu)件最合理的造價(jià)。

3結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方向

基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)重點(diǎn)研究和解決以下問(wèn)題：

3.1研究符合橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的、實(shí)用可行的優(yōu)化模型。

3.2研究橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的邏輯功能關(guān)系。

在結(jié)構(gòu)體系可靠度理論中，研究較多較成熟的是“串聯(lián)系統(tǒng)”，因此，如何將橋梁結(jié)構(gòu)劃分為若干具有串聯(lián)關(guān)系的單元（單元可以是單個(gè)構(gòu)件，也可以是構(gòu)件的組合，這種組合可能出現(xiàn)并聯(lián)關(guān)系或混合關(guān)系），也是一個(gè)十分有意義的問(wèn)題，可使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。

3.3研究單元（構(gòu)件）失效之間、失效模式之間的相關(guān)性問(wèn)題。

可靠度計(jì)算是結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，為此，合理考慮各單元（構(gòu)件）失效間的相關(guān)性及失效模式間的相關(guān)性是非常重要的。

4基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平的劃分

基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法按其設(shè)計(jì)變量的特性可劃分為四個(gè)優(yōu)化水平，分別是：水平一：截而優(yōu)化，以截而尺寸作為設(shè)計(jì)變量；水平二：形狀優(yōu)化，以截而尺寸和描述形狀的幾何尺寸作為設(shè)計(jì)變量；水平二：結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以截而尺寸、描述形狀的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)特性參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量；水平四：總體優(yōu)化，以截而尺寸、描述形狀的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)特性參數(shù)和材料參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。

5結(jié)語(yǔ)

從確定性的設(shè)計(jì)方法向概率設(shè)計(jì)方法方向發(fā)展，這是當(dāng)前結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。計(jì)入作用和結(jié)構(gòu)抗力實(shí)際上存在的隨機(jī)性和將主要依靠直觀經(jīng)驗(yàn)確定的安全系數(shù)變?yōu)橄到y(tǒng)地應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)定量給出一定基準(zhǔn)期內(nèi)結(jié)構(gòu)的失效概率和統(tǒng)一可比的可靠指標(biāo)，無(wú)疑是工程設(shè)計(jì)思想、概念和方法上的突破。基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的研究和工程應(yīng)用的前景將十分廣闊。

參考文獻(xiàn):

[1]葉見(jiàn)曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:人民交通出版社,1998.

篇(6)

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、前言

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在滿足各種規(guī)范或某些特定要求的條件下，使建筑結(jié)構(gòu)的某種指標(biāo)，如結(jié)構(gòu)形式、重量、剛度、造價(jià)等，達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)就是要在所有可用方案和做法中，按某一目標(biāo)選出最優(yōu)的方法。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)不斷向前快速發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)生存環(huán)境提出了更高要求，而建筑是人類物質(zhì)生存環(huán)境的重要載體。近年來(lái)，節(jié)約環(huán)保型社會(huì)建設(shè)理念的不斷深入人心，進(jìn)一步加劇了建筑的需求者與供應(yīng)者對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但滿足了投資者控制建筑投資成本的目標(biāo)，而且更加符合使用者對(duì)建筑本體功能的需求，從而實(shí)現(xiàn)了社會(huì)整體經(jīng)濟(jì)效益的最大化。因此，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下的節(jié)約環(huán)保型社會(huì)越來(lái)越成為可行。

二、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則:

2.1功能性

建筑是人類的基礎(chǔ)物質(zhì)生存環(huán)境，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的終極目標(biāo)就是為了滿足人類對(duì)物質(zhì)生存環(huán)境的最大化需求。對(duì)功能性的滿足也不再局限于傳統(tǒng)的實(shí)用，而是增添了舒適性、美觀性、協(xié)調(diào)性等多種新元素，滿足人類對(duì)基礎(chǔ)物質(zhì)生存環(huán)境的更高要求。

2.2安全性

建筑作為人類生存的基礎(chǔ)生存環(huán)境，與人類的生產(chǎn)、生活緊密相關(guān)，安全性成為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必然考慮因素。一味追求建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，忽略決策階段、設(shè)計(jì)階段、建設(shè)階段的安全性，其作為建筑不但沒(méi)有任何實(shí)際意義，反而會(huì)給人類正常生產(chǎn)和生活帶來(lái)致命的危害。因此，安全性是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的必然考慮因素。

2.3經(jīng)濟(jì)性

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下對(duì)資源配置提出的新要求。經(jīng)濟(jì)性是指通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大化的節(jié)約各種材料資源，達(dá)到減少建設(shè)成本的目標(biāo)。另外，各種材料資源都存在一定的稀缺特性，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)能科學(xué)合理的減少材料的使用量，節(jié)省建設(shè)材料使用成本。

2.4環(huán)保性

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的環(huán)保性是繼經(jīng)濟(jì)性之后的一大更高要求，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程通過(guò)材料選用品種的環(huán)保、整體布局的環(huán)保來(lái)體現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展理念。在建筑資源的材料選用方面，在保證建筑本體功能性、安全性的基礎(chǔ)上，最大可能的選擇節(jié)能環(huán)保型材料，同時(shí)，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的整體布局中，不僅強(qiáng)調(diào)建筑主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一與環(huán)保，也包括建筑建設(shè)過(guò)程中廢舊材料的處理與應(yīng)用，更不能忽略建筑未來(lái)使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的重要影響。另外，材料選用的環(huán)保、整體布局的環(huán)保也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中安全性的體現(xiàn)。

三、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的構(gòu)件布置

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的構(gòu)件布置主要涉及梁、柱子、剪力墻的布置與設(shè)計(jì)。目前，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用框架 - 剪力墻結(jié)構(gòu)體系, 這種體系由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻兩部分組成,框架的梁柱為剛接,框架與剪力墻可為剛接,也可為鉸接。高層建筑體日趨復(fù)雜,各種不同功能的建筑用房綜合在一起,組成形態(tài)各異的高層建筑,給建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)增加了一定的難度。而框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有靈活組成使用空間的優(yōu)點(diǎn), 比較容易滿足建筑物的使用要求, 而且框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系有較高的承載力,較好的延伸性和整體性,并且具備很強(qiáng)的吸收地震力的能力, 從而大大減小了結(jié)構(gòu)本身的側(cè)移。因此，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程中，在框架 - 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,剪力墻剛度的確定除了必須滿足強(qiáng)度條件外, 還必須使結(jié)構(gòu)具有一定的側(cè)向剛度?；诖?剪力墻剛度的大小將直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性及工程造價(jià)成本。另外，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段,簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確地確定框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻最優(yōu)數(shù)量,即可避免重復(fù)、繁瑣的結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整計(jì)算,還可以達(dá)到減少經(jīng)濟(jì)成本的目標(biāo)。梁的選用與布置。常規(guī)梁經(jīng)濟(jì)性最好,但嚴(yán)重影響建筑層高，尤其是在目前土地資源有限的情況下，最終還是無(wú)法實(shí)現(xiàn)社會(huì)整體經(jīng)濟(jì)效益的最大化；寬扁梁能減少梁的截面高度,增加建筑物的凈高。在建筑物總高度限制的情況下,可以增加層數(shù),以獲得更多的建筑面積。但寬扁梁在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上與常規(guī)梁相比并不是最優(yōu),由于Y方向截面高度減小,使得縱向鋼筋的配筋率較高,同時(shí)撓度偏大。在跨度進(jìn)一步加大的情況下,也可采用預(yù)應(yīng)力梁,以滿足建筑物的特殊要求,但費(fèi)用較高。此外，高層建筑框架柱截面大小主要由軸壓比控制, 在上部軸力一定的情況下,可以通過(guò)加大柱截面、提高混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度、加大柱箍筋、采用鋼混凝土柱等不同方法來(lái)控制柱軸壓比，最大化程度保證功能性與安全性。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的整體布局

為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，建筑結(jié)構(gòu)決策者與設(shè)計(jì)者須從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的全局觀念出發(fā)，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的點(diǎn)、線、面，確定建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體布局，處理好點(diǎn)、線、面之間的架構(gòu)關(guān)系，借助于材料的選用、構(gòu)件的布置，充分發(fā)揮單個(gè)構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)的配合與協(xié)調(diào)，使之能實(shí)現(xiàn)最佳受力狀況，既實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)良好的承重力、剛性與延展性，也實(shí)現(xiàn)單個(gè)構(gòu)件的最大化與最佳化利用，保證達(dá)到建筑設(shè)計(jì)的國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)建筑功能性、安全性與經(jīng)濟(jì)性的多重目標(biāo)。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)建筑本體功能與控制建筑造價(jià)成本的重要手段。另一方面，建筑投資者或開(kāi)發(fā)商不能過(guò)分強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)減少材料、降低技術(shù)、放低質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)追求經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也反對(duì)一味重視技術(shù)要求、忽略經(jīng)濟(jì)成本的做法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)建筑的本體功能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。因此，在保障全面發(fā)揮建筑本體功能性、保證安全性的條件下追求建筑投資建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性是建筑建設(shè)的科學(xué)合理選擇。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，未來(lái)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者將遵循功能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性四位一體的設(shè)計(jì)思路，真正實(shí)現(xiàn)未來(lái)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)，為人類提供一個(gè)更好的物質(zhì)生存與發(fā)展環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高新艷.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].太原理工大學(xué).2007.

篇(7)

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土建筑；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求及保證結(jié)構(gòu)安全和建筑使用功能的前提下，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布置，科學(xué)的計(jì)算論證，采取一定的措施來(lái)達(dá)到合理節(jié)約工程造價(jià)的一種設(shè)計(jì)方法。文章主要以優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案及其構(gòu)造措施入手，結(jié)合某鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程，對(duì)鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案

結(jié)構(gòu)方案是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)中貫徹國(guó)家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，采取正確的結(jié)構(gòu)方案，是保證工程質(zhì)量，提高工程效益的有力保障。

1) 結(jié)構(gòu)工程師與建筑師商討，共同確定最優(yōu)建筑方案。首先在建筑工程的設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)工程師憑借自身的專業(yè)知識(shí)，擁有的對(duì)結(jié)構(gòu)體系功能及其受力、變形特性的整體概念和判斷力，用概念設(shè)計(jì)的方法明確結(jié)構(gòu)總體系同分體系之間的最佳受力特征分析，達(dá)到使建筑平面結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度中心、建筑平面形心、建筑物質(zhì)量中心重合，可以有效減少建筑扭轉(zhuǎn)的影響，此外建筑立面要盡可能避免剛度突變和結(jié)構(gòu)不連續(xù)，體型要規(guī)則、均勻，建筑物總高度滿足適用最大高度的規(guī)范要求。

2) 力使結(jié)構(gòu)受力與傳力途徑簡(jiǎn)潔、明確，傳力途徑過(guò)于復(fù)雜會(huì)出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，這不僅會(huì)增加造價(jià)，還容易引起計(jì)算錯(cuò)誤而埋下安全隱患。而簡(jiǎn)單、直接的傳力途徑，可以減少中間傳遞的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，減少結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)受力明確，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

3) 結(jié)構(gòu)工程師在建筑設(shè)計(jì)中要尤其注意規(guī)范，規(guī)程中有關(guān)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的各項(xiàng)規(guī)定，雖然正確的結(jié)構(gòu)計(jì)算是設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，但設(shè)計(jì)中不能僅僅依賴于計(jì)算，還必須非常重視概念設(shè)計(jì)。

2 合理的構(gòu)造措施

構(gòu)造措施作為計(jì)算假定的保證或作為計(jì)算中忽略某個(gè)因素或某項(xiàng)內(nèi)容的補(bǔ)充，與結(jié)構(gòu)計(jì)算相似。按構(gòu)造要求設(shè)計(jì)時(shí)，一般只需滿足規(guī)范的最低要求。如梁箍筋加密的問(wèn)題，梁的一側(cè)是框架柱，另一側(cè)是梁及梁的一側(cè)垂直搭在剪力墻上，而另一側(cè)搭在梁上，這種梁僅僅是作為支撐樓板用的普通梁，不像框架梁那樣耗能，因此不需要箍筋加密，應(yīng)在位于梁下部或梁截面高度范圍內(nèi)的集中荷載區(qū)域設(shè)置附加橫向鋼筋，并優(yōu)先設(shè)置附加箍筋，此外當(dāng)次梁放在主梁上面及梁上起柱時(shí)，主梁不必設(shè)置附加橫向鋼筋。當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)中存在部分短肢剪力墻時(shí)，只需對(duì)短肢剪力墻的抗震等級(jí)提高一級(jí)而不需提高整體的抗震等級(jí)，分布筋、拉結(jié)筋、架立筋等起輔助作用的鋼筋等級(jí)為一級(jí)或二級(jí)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例

某鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)建筑由四層裙樓和A、B兩棟高層建筑組成，A樓高74.2m，20層，B樓高88.3m，30層，地下兩層為停車庫(kù)和設(shè)備用房，房屋平面布置為不規(guī)則形狀，總建筑面積約5.4萬(wàn)m2。

3.1設(shè)計(jì)優(yōu)化的原則

通過(guò)大量計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)分析，在滿足現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及規(guī)定的前提下，遵循保證結(jié)構(gòu)的安全性及合理的剛度，對(duì)通過(guò)對(duì)可減小的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行有效的核減等措施來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，重點(diǎn)是是水平荷載作用下，框架和剪力墻內(nèi)力分配設(shè)計(jì)問(wèn)題，其中剪力墻的數(shù)量及設(shè)計(jì)位置是關(guān)鍵。

3.3鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個(gè)漸進(jìn)的尋優(yōu)過(guò)程。首先對(duì)結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力進(jìn)行分析，然后根據(jù)梁柱各構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，計(jì)算出滿足荷載效應(yīng)要求的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何特征的配筋量的優(yōu)化結(jié)果，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)的幾何特征和荷載特征的變化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)在現(xiàn)荷載作用下內(nèi)力分布特征發(fā)生變化，各控制截面的控制內(nèi)力也發(fā)生相應(yīng)變化，根據(jù)這些變化進(jìn)行下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.4框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則究其根本就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原則，利用一次完成的結(jié)構(gòu)件，優(yōu)化各個(gè)構(gòu)件，可以節(jié)約投資并使結(jié)構(gòu)受力更加合理。

3.5基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1) 依據(jù)地質(zhì)勘查資料，分別設(shè)計(jì)主樓和裙樓的基礎(chǔ)，主樓采用筏板基礎(chǔ)，裙樓采用獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底板要按照經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果設(shè)置。例如在地下室基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)工作中，初步設(shè)計(jì)中地下室基礎(chǔ)計(jì)劃全部采用筏板基礎(chǔ)，經(jīng)審核計(jì)算，為達(dá)到節(jié)約鋼筋、混凝土的目的提出純地下室基礎(chǔ)部分采用獨(dú)立基礎(chǔ)加抗浮底板及抗浮錨桿的做法，這種方案可以有效保證結(jié)構(gòu)的安全，施工簡(jiǎn)便。因此對(duì)純地下室基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)加抗浮錨桿、底板方式設(shè)計(jì)施工圖（圖1）。

圖1獨(dú)立柱基礎(chǔ)剖面

(2) 對(duì)地下室有防水要求的基礎(chǔ)底板，裂縫寬度控制在0.2mm左右；地下室頂板及外墻，荷載取值要準(zhǔn)確、可根據(jù)實(shí)際情況選用荷載。

(3) 作為塔樓的嵌固端，地下室的頂板不宜太薄，根據(jù)覆土薄厚情況，采用十字梁井字梁。

3.4.7樓板優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)樓板要預(yù)埋管道的要求，樓板較薄時(shí)施工容易造成裂縫，因此樓板設(shè)計(jì)時(shí)采用彈性假定而非塑性假定來(lái)計(jì)算樓板厚度及配筋的折減，最小配筋率取0.2和0.45ft/fy中較大值相同板厚時(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)低、鋼筋強(qiáng)度大時(shí)，最小配筋率低，故優(yōu)先采用三級(jí)筋，板中抗裂鋼筋最小配筋率為0.1%，不用或少用大跨厚板。

1.5優(yōu)化設(shè)計(jì)效果

高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)非常復(fù)雜的工程難題，同時(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對(duì)節(jié)約工程投資具有重大意義。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)優(yōu)化的有效性，分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初步方案，根據(jù)工程所在地的市場(chǎng)價(jià)格推算本工程的優(yōu)化節(jié)約了鋼筋65t，節(jié)約資金約32萬(wàn)元。

3結(jié)語(yǔ)

文章從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用出發(fā)，總結(jié)出了鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，符合當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展的需要，具有一定的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)科學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，針對(duì)每一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)其建筑特點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件受力均衡，同時(shí)要求技術(shù)應(yīng)用合理、結(jié)構(gòu)整體安全可靠，充分發(fā)揮每個(gè)構(gòu)件的最大作用。只有這樣才能實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終目的，以便更好地服務(wù)于我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]張民.鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化研究.上海：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，2008.