基于连续体拓扑优化的建筑结构设计方法初探

随着复杂建筑结构的设计与日增多,凭借传统的概念设计进行结构选型与布置已不能高效率、高质量地完成设计任务。对基于连续体的拓扑优化方法进行了介绍并针对建筑结构领域对变密度法的优势和适用性进行了分析;最后采用连续体拓扑优化方法,在相应的荷载工况和边界条件下使用变密度算法对一个大跨度空间结构和一座高层结构进行了计算和优化求解,得到了收敛的解答。结果表明,在结构概念设计阶段引入该方法能够高效率、高质量地得到建筑结构的概念设计模型,对结构设计方法的革新有很大的推动作用。     

下弦与撑杆改进构型张弦梁结构抗连续倒塌动力试验研究

为研究下弦与撑杆改进构型张弦梁结构在连续倒塌过程中的动力响应与失效机理，参考国内某工程张弦梁结构，设计了一个改进构型的张弦梁结构模型。采用基于电磁控制的局部初始失效装置模拟跨中下弦杆失效，对该模型开展了抗连续倒塌动力试验研究。基于ANSYS/LS-DYNA程序对该类结构建立抗连续倒塌有限元模型，并通过试验和有限元联合分析明确了该类结构的备用传力路径、关键构件以及竖向位移动力放大系数的变化规律等。结果表明：改进构型张弦梁结构任一段下弦失效后，失效区域形成的空腹桁架为结构提供了备用传力路径，提高了结构抗连续倒塌性能；下撑杆作为下弦失效后的第二道防线，是剩余结构的关键构件，其失效将引发结构连续倒塌；当剩余结构受力处于弹性阶段时，竖向位移动力放大系数在1.2左右，随着结构进入塑性的程度增大，竖向位移动力放大系数逐渐增大，当荷载达到3.0倍设计工况时，动力放大系数接近2.0。     

基于多约束的三分叉铸钢节点拓扑优化研究

针对树状结构三分叉形铸钢节点质量过大的问题,采用拓扑优化方法对其进行轻量化设计,参考相关文献,建立了以节点最小化柔度为目标,以体积分数和疲劳应力两种约束同时作用的连续体拓扑优化数学模型,采用Hyper Works软件对节点进行了拓扑优化设计,生成新的拓扑构型。重点对模型网格划分、拓扑优化单元静态密度云和不同单元密度控制的单元密度等值面进行了研究,对比分析了拓扑优化节点和原始节点的静力学性能。结果表明在考虑体积分数约束的同时,施加应力约束,实现了节点的多约束拓扑优化,解决了节点轻量化设计与抗疲劳设计的矛盾,更加符合实际工程问题的要求。     

基于鲁棒性的自由曲面结构优化设计研究

由于造型复杂、受力不明确,自由曲面的形状、拓扑难以确定,保证其安全性能难度较高。为此,以结构非线性H∞鲁棒性指标为目标,以非均匀有理B样条法的曲面控制点坐标以及划分单元的厚度为优化变量,采用差分演化算法对曲面形状进行力学微调优化,并求解自由曲面形状和材料分布联合优化设计问题,得到最优的曲面形状和拓扑构型。结果表明,差分演化算法具有较强的寻优能力,通过优化调整曲面的形状和材料分布,可大幅提高曲面的鲁棒性和刚度,改善结构的受力性能。通过六角星形穹顶结构的非线性屈曲分析,阐述了鲁棒性指标与应变能指标的联系和区别,表明鲁棒性指标能够较好地反映结构的屈曲过程、表征破坏后果,采用鲁棒性指标进行自由曲面的优化设计可以确保结构的安全性。     

改进的PSO算法在桁架结构形状优化设计中的应用

利用随机方向法初始化种群提高粒子群算法初始种群的质量．将模糊推理应用于粒子群算法的参数调整克服了人为经验设定参数的不足,种群搜索过程中嵌入Metropolis准则改善粒子群算法的鲁棒性能。将改进的粒子群算法应用于桁架结构形状优化设计中。实验仿真表明．改进后的算法具有较好的搜索性能和较高的计算精度,有望实现应用在复杂的桁架结构优化设计中．其具有重要的理论研究价值和广阔的工程应用前景.     

基于连续域蚁群算法的结构优化设计

工程结构优化设计是把力学和优化技术有机地结合,根据设计要求,使部分参与计算的量以变量出现,建立结构设计参数与结构重量、最大允许应力等的非线性关系,获得连续域蚁群算法求解结构优化问题所需的目标函数,用连续域蚁群算法进行寻优搜索运算,从而求出所需最优解。算例表明,连续域蚁群算法可求解多维连续优化问题,收敛速度快,且计算精度高,可用于工程结构优化设计。     

基于罚函数的设施定位布置问题模型与算法

针对系统内部设施布置决策,以定位布置问题为研究对象,提出了一种求解该问题的改进分布估计算法（IEDA）。通过分析定位布置问题的基本特征,建立了带容量约束的基本非线性整数规划模型;引入了基于罚函数的约束处理方法建立了定位布置问题的改进数学模型,进而使用带惩罚项的目标函数引导IEDA 的搜索方向;在IEDA 中融入了一种概率矩阵变异机制和基于互换型邻域结构的局部搜索策略,用于平衡算法的全局和局部搜索能力;并通过仿真实验比较和对某建筑工地实例求解验证了模型的合理性与算法的有效性。     

基于改进蚁群算法的结构抗震优化设计

为将蚁群算法应用于结构抗震优化设计,构造了基于性能的结构抗震优化模型.针对优化模型的特点和算法自身缺陷,从路径选择方式、信息素更新方式以及信息素浓度控制三方面改进算法,通过信息素的动态区块更新策略和整体缩减调整策略的结合实现了算法的阶段性搜索.以三层四跨框架模型作为优化算例,显示了改进蚁群算法在基于性能的结构抗震优化设计中的适用性和有效性,为抗震优化设计提供了一种可行方法.优化结果表明,改进的蚁群算法求解质量更优,稳定性更好,且在搜索效率和求解速度上提升显著.     

基于水平集方法的连续体结构拓扑优化

提出了一种用水平集函数作为设计变量求解连续体结构拓扑优化的方法。优化方法以结构的整体柔度最小为目标函数,以实体材料所占的体积为约束条件,综合采用有限元方法和优化准则法对问题进行求解。该方法与密度惩罚法相比,克服了锯齿形边界,得到了光滑的结构边界;与传统水平集方法相比,不用求解复杂的Hamilton-Jacobi方程,提高了计算效率。在对Heaviside函数正则化处理中,考虑了形状导数和拓扑导数信息,加快了收敛速度。用该方法对梁的拓扑优化设计进行了试算,得到了满意的优化结果。     

电动汽车头部碰撞相容性拓扑构型的优化设计

为了获得电动汽车头部最优结构,基于满足碰撞相容性的某纯电动汽车头部拓扑构型,采用拓扑优化与正交试验设计相结合的方法,以实现轻量化的前提下满足最佳比吸能为优化目标,对提取的纯电动汽车头部拓扑构型进行优化设计,并对最优头部结构进行100%重叠正面碰撞安全性验证与可靠性分析。结果表明,拓扑优化、正交试验设计与有限元仿真方法的结合使用,可得到满足优化目标的电动汽车最优头部结构。     

Layout and sizing optimization of discrete truss based on continuum

A new method combined continuum topology with discrete truss is proposed for truss optimization. The optimized material distribution is obtained by means of continuum topology optimization and then transformed into initial truss. Based on the element principal stress and 8-neighborhood elements of continuum, force flow path extraction method is presented to obtain the initial truss layout. For section size optimization, criterion is deduced from a mathematical model by Lagrange multiplier method. Leveraging the free-form nature of continuum, this method can avoid the restriction of traditional ground structure. And it can achieve a better solution with less mass, smaller deformation and more uniform stress.     

基于连续体结构拓扑优化的树状结构拓扑创构

针对概念设计阶段树状结构拓扑创构问题,提出了连续体结构拓扑优化方法。应用连续体结构拓扑优化法,建立体积约束下结构总应变能极小化（即结构总体刚度极大化）的拓扑优化模型,依据单约束优化问题的鞍点条件建立了优化迭代格式。研究了体积比、屋面结构刚度、屋面结构几何形式、设计空间高度等对树状结构拓扑形态的影响,并给出了具体应用算例。结果表明：随着材料用量的增加,树状结构拓扑随之复杂;随着屋面刚度的增加,树状结构分枝趋向于减少;不同的屋面结构几何形式会导致不同的树状结构拓扑形态;满足一定高度后,树状结构分枝形态不会受高度影响,仅是增加主树杆高度。     

基于拓扑优化理论的桥梁结构找型

拓扑优化能够在给定边界条件下,给出结构合理的材料分布.基于变密度法,针对连续结构在不同约束条件下给出了悬臂结构、拱式结构、上承式悬带桥结构的拓扑优化结果及结构模型设计.结果表明,优化后的拱桥设计方案具有简洁性、有效性、实用性.     

An integrated topology optimization framework for three‐dimensional domains using shell elements

In the last decades, topology optimization has been widely investigated as a preliminary design tool to minimize the use of material in a structure. Despite this, applications to realistic three‐dimensional engineering problems are still limited. This study provides the instruments for the definition of a versatile and integrated framework in order to apply topology optimization to large‐scale 3‐D domains for the design of efficient and high‐performing structures. The paper proposes a novel topology optimization strategy to identify the optimal layout of lateral resisting systems for tall buildings through the adoption of Mindlin–Reissner shell elements for the discretization of the continuum design domain. The framework is based on the practical interoperability between MATLAB, Ansys, and computer‐aided design (CAD) environments to incorporate optimization routines in the conceptual design phase of structural systems. Finally, the paper examines a three‐dimensional tall building case study in order to demonstrate the applicability of the proposed procedure to realistic Civil Engineering design problems and its robustness in finding optimal layouts free from mesh‐dependency instabilities.     

空间结构节点的拓扑优化与增材制造

在简要介绍连续体结构拓扑优化的数学描述和数值算法的基础上,建立一空间结构节点模型,利用优化软件OptiStruct对节点进行单工况和多工况下的拓扑优化设计。详细讨论了棋盘格控制、SIMP法密度插值惩罚系数等参数设置以及对称约束、成员尺寸约束等工艺制造约束对优化结果的影响。经多次尝试比较得到受力合理、外观简洁且具有设计美感的优化节点模型,并利用熔融沉积制造技术完成采用聚乳酸材料的节点打印。文中进一步讨论了实际工程中利用增材制造（3D打印）技术对优化模型进行制造成型的可行性。目前易于实现的途径是将增材制造和传统制造工艺结合起来,如利用3D打印制作复杂铸钢节点的模具、3D打印蜡模进行失蜡铸造等。     

超高层建筑顶升模架系统的优化设计及智能建造

为研究超高层建筑顶升模架系统优化设计与现场智能化施工的数字化融合,提高材料使用效率和结构合理性,以西安某超高层建筑中所使用的顶模钢框架结构为对象,采用SIMP插值模型法,约束次桁架悬挑端竖向位移,以减少顶模钢框架结构钢材用量为目标进行优化,依据优化结果对顶模钢框架结构进行设计。应用智能建造与建筑工业化协同发展的研究成果,以拓扑优化设计、系统化安装、智能化施工为实施框架,通过拓扑优化设计结合智能化控制操作等工具,实现基于智能建造的优化型顶模钢框架结构; 系统梳理智能建造各阶段应用,利用施工管理平台,实现基于信息化模型的工程管控。结果表明:优化后顶模钢框架结构在满足约束条件情况下,在提升结构承载能力、刚度的同时,使钢框架自身重量减轻20%,降低了顶模钢框架结构用钢量,提升了钢材的使用效率,加强了拓扑优化设计与现场智能化施工的数字化融合,推动了智能化施工装备的施工应用。     

Bracing configuration and seismic performance of reinforced concrete frame with brace

Brace has been used to improve structural seismic performance in reinforced concrete (hereafter called RC) frame extensively. However, the reasonable bracing configurations were not highlighted. And the brace buckling was not considered. Bracing configurations and seismic performance of RC frame with brace are studied in this paper. First, optimized bracing configurations of entire structures and 1‐story 1‐span structures are derived by topology optimization using truss‐like material model. Next, the structure models are simulated in OpenSees. Moreover, different bracing configurations are employed. Last, seismic performance and seismic response of RC frame structures with brace are discussed using static nonlinear analysis and dynamic time–history analysis, and brace buckling is considered. The numerical results indicate that more details for manufacturing or constructing can be presented by bracing configuration using truss‐like model. Further, the increase of structural strength and stiffness is more advisable in bracing configuration using topology optimization (hereafter called TPB), which corresponds to optimized result using entire structure than other configurations. The optimized bracing configuration based on 1‐story 1‐span structure is also beneficial within the prescribed conditions. Moreover, the brace buckling can decrease both strength and stiffness, and the buckling can also aggravate the damage extent than the brace without buckling.     

Topology optimization method of lattice structures based on a genetic algorithm

A two-stage topology optimization method of lattice structures based on a genetic algorithm is proposed. The first stage is the form-finding analysis of lattice structures, and the optimal initial shape was achieved with the numerical inverse hanging method. The second stage is the topology optimization of single-layer lattice structures, which can be realized by changing the mesh size and the tube configurations to minimize the total weight of steel tubes subject to the design requirements. The mesh configuration optimization is realized through the adjustment of the nodal horizontal co-ordinates and the removal of tubes with lower stress. The maximum displacement of the structure, the maximum stress of the circular steel tubes, and the nonlinear buckling load are the state variables, and a genetic algorithm (GA) is the optimization algorithm. Different stress-limiting values used to delete the tubes were discussed. The numerical examples show that the two-stage topology optimization method for lattice structures proposed in this paper is correct and efficient. Furthermore, the forms of the optimized structure are rich, and the structure is lightweight and efficient.     

综合优化算法在矮塔斜拉桥中的应用

以三门江大桥为工程背景,建立零阶算法和一阶算法在矮塔斜拉桥索力优化中的计算模型,并选取了斜拉桥索力优化计算常用的方法--弯曲能量法、最小弯矩法,来分析矮塔斜拉桥恒载索力.在此基础上,提出了综合能量法和最小用索量方法来计算索力的方法,得出了几点对于类似桥梁索力优化分析的有益结论.在此过程中,对比了零阶算法和一阶算法在实际算例中的计算效率和计算规律.