桁架节点的优化设计.pdf

191第40卷增刊建筑结构 2010年4月桁架节点的优化设计吴彩斌,王人鹏(同济大学土木工程学院,上海200092)[摘要]针对大型吊车桁架结构的角节点,运用实体建模软件SOLIDWORKS建立桁架结构角节点的参数化实体模型,借助有限元分析软件ANSYS对此桁架节点进行了优化分析,得到了节点板各参数变化对节点板应力的影响,为节点设计提供参考依据。[关键词]参数化;有限元;优化Optimal design of truss nodeWu Caibin, Wang Renpeng(College of Civil Engineering , Tongji University , Shanghai 200092, China)Abstract: In view of large crane corner node of truss structure, parametric solid model of the corner node was established by the software SOLIDWORKS. Based on the optimal analysis by the FEM software ANSYS, each parameter change on the impact of gusset plate stress was obtained, and which can be regard as the reference on design of truss node. Keywords: parametric;finite element method; optimization1 工程概况在南通联合重工科技有限公司LPG液罐项目900T起重机栈桥桁架结构的节点试验的基础上,提出了节点优化的问题。该起吊装置体量巨大,设计采用圆管类型的构件组成桁架系统实现结构功能。三个圆管汇接在一起是结构的典型连接方式。由于起重量巨大,因此连接节点的安全可靠性成为结构设计的关键点之一。该节点连接形式在国内钢结构设计中第一次采用,需要深入了解该节点的力学性能,并尽可能实现节点性能的优化。本文就是在实体建模软件SOLIDWORKS和有限元分析软件ANSYS的综合运用的基础上,力求找到最优的节点板形式来实现大型桁架节点设计的优化。2节点有限元模型及节点板参数设计经过反复的有限元优化分析比较后,桁架节点采用图1所示的连接形式,考虑到受力的均匀合理性,节点板采用图2所示的结构形式。本文主要对节点板的厚度、宽度、高度以及弦杆连接部位的两个圆角半径参数进行了优化。本文应用实体建模软件SOLIDWORKS建立桁架节点的实体模型并对节点进行相应的参数设计,。本文中节点模型采用六面体实体单元,网格的划分足够细,可以保证计算结果的准确无误,钢材采用Q345钢,节点有限元模型见图3。图1 桁架节点的实体模型图2 节点板的形式3ANSYS结构优化原理结构优化设计作为一种寻找最优设计方案的技术,一直是结构设计理论和方法研究领域的热门课题。长期以来,不少学者从不同角度提出了多种结构优化的理论。但这些方法普遍都存在着求解复杂、实现困难等缺陷。现代结构日趋复杂化,大型结构越来越多,它们的不足之处也暴露得越来越明显。针对上述问题,基于ANSYS优化工具箱,结合面向对象程序设计技术进行结构优化计算,可以取得较好的效果。结构优化设计所涉及数据类型复杂、概念繁多,为此将问题应用类、对象、成员的概念进行数据抽象,将结构优192化问题用以下4个类来进行统筹。优化设计要求方案在满足所有的设计要求后所需的支出尽量小,据此定义优化设计中所需的支出为目标类,设计参数的集合作为设计类,设计所需满足的条件为状态类,称用来在优化工具箱中创建实体模型的信息为实体类。图3 节点有限元模型图4 节点板参数标识具体到某个优化问题,将上述各类具体化,即产生相应的对象:目标对象、设计对象、状态对象、实体对象。几何参数、物理条件等为对象的数据成员或函数成员。常见的设计对象成员有几何尺寸、材质等,每个设计对象都有上下限,规定设计对象的变化范围。在优化设计过程中,通过改变设计对象成员的数值来求取优化结果,也就是说改变设计对象成员的数值将改变目标对象成员的值,目标变量是设计变量的函数:??1 2= , , ,i i kG f x x x?式中:iG代表第i个目标对象成员,1 2, , ,?kx x x为设计对象成员。对目标对象而言,状态对象成员(如力、弯矩、应力、