基于ICM法的高层建筑大型支撑体系拓扑优化

提出应用连续体结构拓扑优化ICM法对高层建筑大型支撑体系进行拓扑优化。针对高层建筑规范对结构刚度限值是以层间相对位移差形式给出、并结合结构拓扑优化特点,推导了相对位移差敏度分析的伴随法公式,有效提高了计算效率。应用ICM法建立位移约束下结构重量极小化的优化模型,与高层建筑规范对结构刚度限值要求的提法更符合,得到的最优拓扑完全满足规范要求。所提方法应用在概念设计阶段,提供了一种自动化的分析计算及优化设计工具,可以有效地弥补基于经验设计的不足。     

基于遗传算法的离散型结构拓扑优化设计

采用遗传算法求解包括桁架结构和框架结构的离散型结构拓扑优化问题。在遗传算法的基础上,通过引入拓扑变量并修改被删除杆件的材料弹性模量,提出了一个受多工况荷载作用,能同时考虑应力、稳定及位移等约束的离散型结构拓扑优化问题统一数学模型。该模型不但能同时适用于桁架结构和框架结构等离散型结构拓扑优化问题,而且还能解决奇异最优解问题。结合上述统一数学模型和遗传算法,给出了求解离散型结构拓扑优化问题的优化方法。算例结果表明,采用该文提出的拓扑优化方法可有效、方便地对桁架结构、框架结构等离散型结构进行拓扑优化设计。     

支撑型式与钢框架结构的侧移刚度

通过计算不同支撑类型和布置方式下钢框架结构的顶层最大位移,研究了支撑布置型式对多层、高层钢框架结构侧向刚度的影响。结果表明:对于不同的支撑类型,沿竖向集中布置于中间两个跨间以上的钢框架支撑结构的侧向刚度优于将支撑布置在边跨和其他跨间上;对于相同的支撑布置方式,在钢框架结构的侧向刚度和经济性方面,不论是中心支撑还是偏心支撑形式,人字形支撑均优于单斜杆支撑。建议在多层、高层钢框架支撑结构中,尽可能选择人字形支撑并沿框架竖向集中布置于中央跨间;在中小地震烈度设防地区,优先采用人字形中心支撑体系,而在强地震烈度设防地区,应优先采用人字形偏心支撑体系。     

圆柱壳体阻尼材料布局拓扑优化研究

采用渐进结构拓扑优化方法,以阻尼结构模态损耗因子最大化为目标,阻尼材料体积分数为约束条件,阻尼胞单元为设计变量,建立了圆柱壳体阻尼材料布局拓扑优化模型,对约束阻尼以及自由阻尼材料布局进行了拓扑优化。研究了阻尼结构模态损耗因子对阻尼胞单元位置的灵敏度,导出灵敏度计算表达式。根据渐进优化算法的优化准则,通过逐步删除利用率低的材料,使目标模态损耗因子达到最大化。给出了数值计算的例子,理论计算结果验证了拓扑优化设计方法的正确性和有效性     

考虑位移要求的大型三维连续体结构拓扑优化数值技术研究

大型复杂三维结构拓扑优化设计既具有理论意义,又具有重要的应用价值。基于等效转换的非奇异的结构优化模型,研究结构位移要求的最小结构重量设计问题。首先,介绍了位移约束的三维结构优化准则和公式。而后,为了提高拥有数万个单元以上的三维结构的计算效率,结合结构位移计算的迭代方法,在分析用于结构特性参数计算模型的基础上,建立了一套三维结构拓扑优化的求解策略和算法。最后,给出了几个典型和复杂的三维结构的拓扑优化设计算例。算例表明求解策略和算法是正确和有效的,且具有广泛的工程应用前景。     

区间参数平面连续体结构频率非概率可靠性拓扑优化

研究了具有区间参数的平面连续体结构在固有频率非概率基频约束和频率禁区约束下的拓扑优化设计问题。考虑结构弹性模量、质量密度和频率约束限具有区间不确定性,根据SIMP材料插值方法和区间变量运算法则,构建了基于频率非概率可靠性约束的弯曲薄板和平面应力薄板结构的拓扑优化数学模型表达式,并给出了进化优化准则。算例及其结果表明文中模型和方法的有效性。     

RC框架结构地震均匀损伤优化设计

地震均匀损伤失效模式是指结构在强震下各楼层的损伤大小相同、侧向变形近似,并具有全局化的耗能机制,是结构较理想的破坏模式。提出了考虑土-结构动力相互作用影响的RC框架结构地震均匀损伤优化设计方法。以结构层间位移角均匀化为目标,以梁柱构件截面配筋为优化变量,考虑材料成本约束和配筋率等约束,融合结构层间位移角分布和梁柱构件转角大小,提出了基于优化准则法的RC框架结构均匀损伤优化设计方法。基于非线性温克尔地基梁模型(BNWF),建立了能够考虑土-结构相互作用的RC框架结构分析模型。以两个5层和12层结构为例,研究了收敛参数对收敛速度和收敛稳定性的影响规律,分析了优化过程中各楼层配筋转移情况,对比了优化前、后结构的梁柱转角大小和层间位移角分布。结果表明,该文优化方法可使结构的损伤分布更加均匀,降低结构的最大层间位移角,提高结构的抗震能力。     

基于性能的偏心支撑钢框架抗震设计方法研究

偏心支撑钢框架的理想失效模式为每层耗能连梁均屈服,底层柱脚形成塑性铰,传统设计方法基于强度设计理论,很难保证结构的弹塑性受力状态。该文提出了偏心支撑钢框架基于性能的抗震设计方法(PBSD),该方法以结构的目标侧移和失效模式来预测和控制结构的非弹性变形状态,保证偏心支撑钢框架在大震作用下各层连梁均参与耗能,而其他构件仍保持弹性,即偏心支撑钢框架的层间侧移趋于均匀,避免结构薄弱层的出现,便于偏心支撑钢框架的震后修复。依据PBSD方法分别设计了10层K形和Y形偏心支撑钢框架算例,采用静力推覆分析和非线性时程分析验证该设计方法的合理性,分析结果表明:依据PBSD方法设计的偏心支撑钢框架的极限状态接近于理想整体失效模式,即结构非弹性变形主要集中在耗能连梁中发生,且各层连梁均参与耗能,没有薄弱层出现。该方法为偏心支撑钢框架的工程优化设计提供了参考依据。     

位移约束桁架尺寸优化设计的改进齿形法

该文提出一种改进齿形法应用于具有应力与位移约束的桁架尺寸优化问题。对于应力约束所需的杆件截面积由杆件各工况荷载下的最大内力来确定。对于位移约束所需的杆件截面积,按当前迭代位移比最大的位移约束、采用桁架满位移设计准则确定。分别计算应力约束和位移约束的杆件截面积比,取二者较大者并施加松弛系数作为准则步时杆件截面积更新的参数。对三杆及十杆平面桁架的算例进行了优化设计研究,结果表明该文提出的方法稳定性好、收敛速度快、优化效果好、应用简单。     

基于ESO法的九宫板阻尼结构的优化设计方法

利用渐进结构拓扑优化方法(Evolution Structural Optimization,ESO),以约束阻尼层质量为约束条件,以最大模态损耗因子为目标函数,编制了ESO法的可执行程序,并基于ABAQUS软件建模,开展了九宫板约束阻尼层的拓扑优化研究。发现随着约束阻尼层的删除率增大,结构模态损耗因子逐渐增至最大值后降低。而随着删除率的增大,结构单位质量阻尼性能逐渐增大,可见优化布局可以提高九宫板结构的抑振性能。为研究优化布局对结构应力分布的影响,模拟了多种振动工况下,优化前后九宫板结构的Mises应力分布云图及其最大应力,结果发现优化布局后九宫板结构Mises应力分布影响很小,且最大Mises应力值得到有效降低。并将该方法应用在一般复杂结构的优化设计,实现了较少阻尼性能损失达到减重的目的,具有重要的工程实用性。     

一种变频率约束限的结构拓扑优化方法

针对仅频率约束和重量最小的结构拓扑优化问题,基于ICM(独立、连续、映射)方法和渐进结构优化方法的思路,提出了一种变频率约束限的结构拓扑优化方法.在优化迭代循环的每一轮子循环迭代求解开始时,为了控制拓扑设计变量的变化量,依据结构频率和其约束限,形成和引进了新的频率约束限.另外,建立了单元删除阈值和几轮迭代循环的单元删除策略.为了确保优化迭代中结构非奇异和方法具有增添单元的功能,在结构孔洞和边界周围引入了一层人工材料单元.结合拉格朗日乘子法,形成了一种新的连续体结构的拓扑优化方法.给出的算例表明该方法没有目标函数的振荡现象,且验证了该方法的正确性和有效性.     

宏观结构性能约束下的材料微结构拓扑优化

为了设计周期性多孔钢或钢/铝复合材料优化微结构,基于独立连续映射法,建立了以结构总质量最小化为目标,节点位移为约束的拓扑优化模型。假设宏观结构由多孔材料或复合材料组成,其等效特性采用均匀化理论计算得到。定义了微观材料拓扑变量,节点位移约束采用一阶泰勒展开近似。各种材料设计要求作为约束条件纳入到优化模型中。推导了节点位移和总质量的敏度表达式。采用基于求解偏微分的过滤方法消除了数值不稳定性。在二维数值算例中获得了各种满足设计要求的优化材料微结构。结果表明:提出的方法在材料微结构拓扑优化设计中具有可行性和有效性。      

两种设计原则下自定心屈曲约束支撑框架的抗震性能分析

基于9层支撑抗弯钢框架和支撑铰接钢框架,分别采用与屈曲约束支撑(BRB)的等强原则和等核心板面积原则设计自定心屈曲约束支撑(SC-BRB)框架,并对建立的6个支撑框架模型进行10条地震波下的非线性时程分析,结果表明:与BRB框架相比,SC-BRB能有效控制结构的残余变形;因为支撑铰接钢框架由地震引起的主体结构损伤较支撑抗弯钢框架小,所以结构的自定心效果也更好;基于等强原则的SC-BRB框架由于支撑刚度较小,因此其结构层加速度和支撑轴力小于按等核心板面积原则设计的SC-BRB框架;基于等核心板面积原则的SC-BRB框架凭借支撑较强的耗能能力,其层间位移角的控制要优于按等强原则设计的SC-BRB框架,且其较大的预张力和预拉杆截面面积也更利于提高结构的自定心效果和限制薄弱层的出现。     

屈曲约束支撑框架的支撑布置原则研究

屈曲约束支撑框架的支撑布置原则对其减震效果和结构的抗震性能影响显著。建立检验减震效果的6层和16层钢框架基准模型,分别以位移和层间位移不均匀系数为衡量结构地震损伤程度和损伤集中效应的指标,分析了支撑和框架间以及楼层间支撑较优且经济适用的布置原则。结果表明:减震效果随支撑面积的增加而减弱,建议主体框架加入支撑后结构的基本周期降低不宜超过1.5倍~2.0倍;支撑面积在楼层方向线性分布的比例系数为0.5~1.0时,结构的损伤集中效应较小。以“上层BRB屈服应发生在下层框架屈服之前”为性能目标,推导了楼层间支撑面积比上限值的理论公式,并用一个算例验证了公式的正确性。公式表明:当框架刚度较低或者屈服位移较小时,需严格限制支撑面积比,以防出现仅有某层或者较少层BRB屈服的集中损伤模式的不利现象。基于上述布置原则,给出了屈曲约束支撑框架设计流程。     

基于改进渐进结构优化方法的结构动力优化研究

在对渐进结构优化方法基本理论分析基础上,根据结构动力学的拓扑优化特点,结合尺寸优化理论,提出了一种新的删除准则。探索了一种改进型渐进结构优化方法,并叙述基本的优化步骤。最后,融入了质量、应力、位移以及频率等动力学约束条件参数,运用该方法进行谐激励力作用下的板结构动力响应拓扑优化。算例表明,改进渐进结构优化方法对结构动力学拓扑优化问题具有一定的适用性,拓展了基本渐进结构优化方法的应用范围。     

位移约束刚架拓扑优化的非线性有无复合体方法

为了提高基于物理模型的结构拓扑优化的寻优效率, 该文提出了非线性有无复合体, 以刚架结构在位移约束下的拓扑优化为例, 进行了结构重量目标函数极小化的数学模型建立和程序实现。与线性有无复合体不同, 非线性有无复合体是无限多个无穷小的“有单元”和“无单元”各自长度的非线性组合。由于每个梁单元“有”单元长度和“无”单元长度之和的不变性, 其拓扑变量可以用“有”单元的总长度予以表达。推导了结构重量、位移约束同结构拓扑变量的显式函数, 建立了优化模型。使用线性规划算法求解了相应的优化模型, 算例表明, 该文方法的寻优效率得到了提高。同作为数学变换的ICM(独立、连续和映射)方法比较, 该文提出的作为物理模型的方法, 二者在解决结构拓扑优化上具有异曲同工之效:后者的“有”单元长度的非线性关系替代了前者的单元重量、位移约束中的过滤函数。数学变换方法与物理模型方法的异同点更是耐人寻味。 方法     

侧移曲线对基于位移设计的多层自复位摩擦耗能支撑钢框架抗震性能影响研究

采用直接基于位移的抗震设计方法时需预先确定结构的侧移曲线,但侧移曲线对设计结果和结构抗震性能的影响有待研究,为此该文以自复位摩擦耗能支撑钢框架为例,考虑结构非线性程度和层数,分析了3种典型侧移曲线对结构抗震性能的影响,为该类支撑钢框架结构的侧移曲线选择提供依据。结果表明:侧移曲线对3层支撑框架的基底剪力设计值影响不大,但对6层支撑框架的基底剪力有明显影响;楼层设计位移角随设计侧移曲线变化而变化,最终导致楼层设计刚度差别较大;3层以下低层自复位摩擦耗能支撑钢框架结构的实际侧移表现为线型,设计时建议采用线型侧移曲线,6层左右的多层结构的实际侧移表现为弯曲型,建议采用弯曲型侧移曲线进行设计。     

中心支撑钢框架在空腹效应作用下抗连续倒塌分析

关键构件失效后,多层框架各层表现出不同的抗倒塌机制,空腹效应是一种重要的抗连续倒塌机制。采用考虑损伤与应变率的动力非线性分析,模拟已有多层框架拆柱试验,并提出空腹效应理论模型;改进抗震设计常用的中心支撑钢框架,在框架结构顶层布置水平支撑;并将水平支撑体系应用到俄亥俄综合大楼。研究结果表明,空腹效应是竖向构件对各层内力重分配的结果,体现了框架结构的整体受力特点,空腹效应与其它抗倒塌机制共同抵抗不平衡荷载;顶层水平支撑可以显著减小失效点处位移,发挥空腹效应作用,提高结构的抗连续倒塌性能;俄亥俄综合大楼的两根中柱失效后,支撑体系将失效跨的大部分重力传递到相邻结构。     

振级落差约束下齿轮箱基座拓扑构型设计

采用结构拓扑优化理论,研究某新型齿轮箱基座拓扑构型设计方法.在满足指定振级落差设计要求下,进行底座和腹板材料拓扑布局动力学优化,减轻基座的重量.建立了两种拓扑构型优化模型:1)振级落差约束下,基座重量为目标函数,底座方钢(阻振质量)拓扑构型优化;2)振级落差约束下,基座重量为目标函数,腹板及底座方钢综合拓扑优化设计.通过两种方案的计算对比分析,得到给定约束条件下的减振效果良好的腹板和底座方钢结构拓扑形式,为实际工程设计应用提供概念设计.丰富新型减振基座拓扑构型设计理论和方法.     

基于敏度分析的框架抗震优化

针对目前结构抗震优化设计方法存在优化效率低下的问题,提出一种高效的框架抗震优化设计方法。在有限元法和Newmark法基础上导出一种高效的层间相对位移对设计变量一阶和二阶导数的算法,建立显含时间参数,以结构质量最小化为目标,同时满足层间相对位移和设计变量约束的优化数学模型,通过积分型内点罚函数将显含时间参数的不等式约束优化问题转变为一系列不含时间参数的无约束优化问题,利用层间相对位移对设计变量一阶和二阶导数的信息计算罚函数的梯度和海森矩阵,然后利用梯度和海森矩阵构造求解优化设计问题高效有效的优化算法。算例表明本文的抗震优化方法能获得结构的最优设计,具有简单、下降速度快、不需要进行一维搜索等特点。是一种有效和高效的框架抗震二阶优化方法。