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摘要：輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)因其節(jié)省鋼材已被廣泛使用。但是不合理的建筑尺寸往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)用鋼量的增加，所以結(jié)構(gòu)的輕型化對(duì)該類(lèi)型建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有著重要的意義。文章介紹了有限元理論以及有限元分析軟件AN SYS對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且提出了門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型。...

輕型門(mén)式剛架的優(yōu)化設(shè)計(jì)在ANSYS程序上的實(shí)現(xiàn)

宋玉華

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都6l0031)

    門(mén)式剛架是典型的輕型剛架結(jié)構(gòu)，也是應(yīng)用最為廣泛的輕型鋼結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)門(mén)式剛架設(shè)計(jì)一般采用試算法，然后根據(jù)約束條件選截面尺寸，并通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算作適當(dāng)修正后，一般就可以作為最終方案了。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于受工作量、時(shí)間的限制，只做步量的試算，般難以得出最優(yōu)方案。因此，能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)就成為設(shè)計(jì)人員思考的問(wèn)題。

1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的概述

    優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。所謂“最優(yōu)設(shè)計(jì)”，指的是一種方案可以滿(mǎn)足所有的設(shè)計(jì)要求，而且所需的支出(如重量、面積，體積、應(yīng)力、費(fèi)用等)最小。在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有限元法是一個(gè)比較有救的方法。通  常，建立模型和模型修改都是手工完成的，對(duì)于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的或者需要修改的地方很多的情況下，優(yōu)化的時(shí)間就比較長(zhǎng)，計(jì)算的時(shí)間相對(duì)較少。因此減少建模和機(jī)構(gòu)修改的時(shí)問(wèn)，提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化效率是關(guān)鍵。利用大型通用有限元軟件ANSYS程序的APDL語(yǔ)言對(duì)門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題給出一個(gè)優(yōu)化策略。在第一個(gè)分析模型建立起來(lái)后，利用命令記錄文件中生成的建模指令構(gòu)造用戶(hù)的優(yōu)化控制程序，后續(xù)的迭代優(yōu)化過(guò)程都由APDL語(yǔ)盲編寫(xiě)的用戶(hù)控制程序完成，不再需要人工干預(yù)，大大提高了優(yōu)化效率。APDL語(yǔ)言是ANSYS  軟件提供給用戶(hù)的一個(gè)依賴(lài)于ANSYS程序的交互式軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。APDL語(yǔ)言具有類(lèi)似一般計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的常見(jiàn)功能，如類(lèi)似于常數(shù)定義、變量定義和賦值的參數(shù)定義，分值和循環(huán)控制語(yǔ)句，類(lèi)似于子程序條用的宏調(diào)用等功能。

2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在ANSYS上的實(shí)現(xiàn)

    基于ANSYS優(yōu)化工具箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)=優(yōu)化問(wèn)題數(shù)據(jù)抽象+優(yōu)化模塊設(shè)計(jì)，具體在某個(gè)優(yōu)化問(wèn)題上，即產(chǎn)生相應(yīng)的對(duì)象——目標(biāo)對(duì)象、狀態(tài)對(duì)象、設(shè)計(jì)對(duì)象、實(shí)體對(duì)象：幾何參數(shù)、物理?xiàng)l件等為對(duì)象的數(shù)據(jù)成員或函數(shù)。常見(jiàn)的設(shè)計(jì)對(duì)象成員有幾何尺寸、材質(zhì)等。每個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象都有上下限規(guī)定設(shè)計(jì)對(duì)象的變化范圍，在優(yōu)化過(guò)程中，通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)象成員的數(shù)值來(lái)求取優(yōu)化結(jié)果，也就是說(shuō)改變?cè)O(shè)計(jì)對(duì)象成員的數(shù)值來(lái)改變目標(biāo)對(duì)象成員的值。目標(biāo)變量是設(shè)計(jì)的函數(shù)：

    式中：G為代表第1個(gè)目標(biāo)成員。

    相對(duì)于目標(biāo)對(duì)象而言．狀態(tài)對(duì)象起著判別式的作用；只有狀態(tài)對(duì)象成員符合給定的限制條件，設(shè)計(jì)才能稱(chēng)之為合理。而合理設(shè)計(jì)是優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提。統(tǒng)稱(chēng)目標(biāo)對(duì)象、狀態(tài)對(duì)象、設(shè)計(jì)對(duì)象、實(shí)體對(duì)象為優(yōu)化對(duì)象，優(yōu)化對(duì)象的確定是問(wèn)題解決的關(guān)鍵和核心。

    ANSYS程序提供了兩種優(yōu)化的方法：零階方法是一個(gè)很完善的處理方法，可以很有效地址理大多數(shù)的工程問(wèn)題；一階方法基于目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的靈敏程度，更適合于精確的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于這兩種方法．ANSYS程序還提供了一系列的“分析——評(píng)估——修正”的循環(huán)過(guò)程，即對(duì)初始結(jié)構(gòu)就設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)估，然后修正設(shè)計(jì)。這一循環(huán)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行直到所有的實(shí)際要求都滿(mǎn)足為止。

    除了這兩種優(yōu)化方法，ANSYS程序還提供了一系列的優(yōu)化工具以提高優(yōu)化過(guò)程的效率。例如．隨機(jī)優(yōu)化分析的迭代次數(shù)是可以指定的，隨機(jī)計(jì)算結(jié)果的初始值可以作為優(yōu)化過(guò)程的起點(diǎn)數(shù)值。

    優(yōu)化過(guò)程次由數(shù)據(jù)抽象模塊、初始化模塊、預(yù)處理模塊、后處理模塊、優(yōu)化模塊、輸出模塊組成。利用模塊對(duì)問(wèn)題進(jìn)行層次分解、自頂層向下層開(kāi)發(fā)，為分析提供方便。

    數(shù)據(jù)抽象模塊是分析準(zhǔn)備階段，主要工作為結(jié)合問(wèn)題實(shí)際目標(biāo)對(duì)象、狀態(tài)對(duì)象、設(shè)計(jì)對(duì)象、實(shí)體對(duì)象并確定其成員。初始對(duì)象中對(duì)實(shí)體對(duì)象成員、設(shè)計(jì)對(duì)象成員進(jìn)行參數(shù)化表示井賦值。預(yù)處理模塊式建立實(shí)體模型階段，該模塊執(zhí)行的動(dòng)作未利用實(shí)體對(duì)象成員(單元常數(shù)、楊氏彈性模量、泊松比、荷載等)生成實(shí)體模型并進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧Ｇ蠼饽�塊調(diào)用 s0LvE函數(shù)進(jìn)行求解。后赴理模塊中提取求解所得相應(yīng)值賦予目標(biāo)對(duì)象、狀態(tài)對(duì)象成員。優(yōu)化模塊第一部為設(shè)定設(shè)計(jì)對(duì)象成員、狀態(tài)對(duì)象成員變化范圍，接下來(lái)指定目標(biāo)對(duì)象成員函數(shù)，確定優(yōu)化方法及最大優(yōu)化次數(shù)等，進(jìn)而調(diào)用OPEXE函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算。輸出模塊按需要列出設(shè)計(jì)序列，并繪出設(shè)計(jì)對(duì)象、狀態(tài)對(duì)象、目標(biāo)對(duì)象相對(duì)于優(yōu)化次數(shù)的變化曲線(xiàn)以及宴體對(duì)象圖形等。

    上述模塊在ANSYS中實(shí)現(xiàn)分別生成分析文件、優(yōu)化分析階段、結(jié)果輸出階段。

    基于ANSYS優(yōu)化工具箱進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，敷據(jù)流向可用圖l表示。

 

    設(shè)計(jì)變最(DVS)為自變量，優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)變量的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)設(shè)計(jì)變量都有上下限．它定義了設(shè)計(jì)變量的變化范圍。ANSYS優(yōu)化程序允許定義不超過(guò)60十設(shè)計(jì)變量。

    狀態(tài)變量(SVS)是約束設(shè)計(jì)的數(shù)值。他們是“因變量”，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。狀態(tài)變量可能會(huì)有上下限，也可能只有單方面的限制，即只有上限或下限。在ANSYS用戶(hù)程序中用戶(hù)可以定義不超過(guò)100個(gè)狀態(tài)變最。

    目標(biāo)函數(shù)要盡量減小的數(shù)值。它必須是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，也就是說(shuō)，改變?cè)O(shè)計(jì)變量的數(shù)值將改變目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值。在ANSYS優(yōu)化程序中，只能設(shè)定一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。

    設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變最和目標(biāo)函數(shù)總稱(chēng)優(yōu)化變量，在AN，SYS優(yōu)化中，這些變量是由用戶(hù)定義的參數(shù)來(lái)指定的。

3.輕型鋼構(gòu)門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

    門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于減輕結(jié)構(gòu)重量、降低用鋼鼉和結(jié)構(gòu)造價(jià)有著明顯的意義。下面對(duì)輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)建立其優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型作一介紹。

    設(shè)計(jì)變量——設(shè)計(jì)變量有高散變量，也有連續(xù)變量。輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的主要幾何參數(shù)，如跨度、檐口高、屋面坡度、縱向柱間距等，通常都由業(yè)主或建筑師確定，可供優(yōu)化的變量主要是截面參數(shù)，即各H型鋼截面的翼緣寬、厚，腹板的高、厚等。鋼板的厚度是離散變量，而腹板和翼緣的高(寬)一般也是從一系列有規(guī)律的數(shù)據(jù)中選取，因此輕型門(mén)式剮架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量通常是離散變量。

    目標(biāo)函數(shù)——結(jié)構(gòu)重量是門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，且比較容易寫(xiě)成設(shè)計(jì)變量的函數(shù)形式．故門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)通常以用鋼量最少為優(yōu)化目標(biāo)。

狀態(tài)變量——(1)構(gòu)造約束：包括基本變量的限界約束和根據(jù)門(mén)式剮架建造的習(xí)慣而規(guī)定的約束，如所有截面的腹板高度都必須大于翼緣寬度，所有截面的翼緣厚度必須比腹板厚度大2 mm以上等約束。(2)性能約束：輕型門(mén)式剛架通常按平面結(jié)構(gòu)分析內(nèi)力，用有限元法計(jì)算，不考慮蒙皮效應(yīng)。構(gòu)建設(shè)計(jì)須考慮翼緣、腹板的最大寬厚比和屈曲后強(qiáng)度的利用，變截面柱的平面內(nèi)外的穩(wěn)定性以及輕鋼房屋的撓度和側(cè)移限值。

4.結(jié)束語(yǔ)

    通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度控制、使該方法能做到節(jié)省鋼材。利用該方法．可以很快確定截面突變處的梁高和準(zhǔn)確地校核截面各處的強(qiáng)度，優(yōu)化截面。利用ANSYS有限元軟件，用戶(hù)在所建立的模型中可使用60個(gè)設(shè)計(jì)變量和l00個(gè)狀態(tài)變量，足以使該方法適用于各類(lèi)門(mén)式剛架和各種荷載工況。

參考文獻(xiàn)：

[1]段進(jìn)，倪棟，王國(guó)業(yè)，ANSYSI0結(jié)構(gòu)分析從入門(mén)到精通[M]北京：科海電子出版社，2006

[2]張其林，輕型門(mén)式劇架結(jié)構(gòu)[M]山東科學(xué)技術(shù)出版社，2004

[3]蔡新，郭興文，張暁明，工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)【M】北京中目水利水電出版社

[4]CECS l02 - 2002門(mén)式剛架輕型房屋錒結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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