一种提高结构屈曲特征值的优化方法研究
基于Ansys的起重机卷筒特征值屈曲分析
65CONSTRUCTION MACHINERY 2014.7设计计算DESIGN & CALCULATION［收稿日期］2014-03-10［通讯地址］舒俊，武汉市洪山区徐东大街45号中铁工程机械研究设计院基于Ansys 的起重机卷筒特征值屈曲分析舒 俊，徐 超（中铁工程机械研究设计院，湖北 武汉 430066）［摘要］以2000t 起重机焊接卷筒设计为对象，采用Ansys 对卷筒进行了特征值屈曲稳定性分析，结果表明采用传统公式设计偏于保守，为卷筒的结构优化设计提供了一种可靠的方法。
［关键词］卷筒；特征值屈曲分析；优化设计［中图分类号］TH21 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X （2014）07-0065-03Eigenvalue buckling analysis of drum on crane based on AnsysSHU Jun ，XU Chao起重机卷筒壁厚大多是根据经验公式确定，即将基本壁厚取为所用钢丝绳的直径，对于大型卷筒而言，仍会出现计算时稳定性不足的状况。
实践证明，这种设计方法偏于保守，不仅增加了制造的困难，还造成了材料的浪费，降低了卷筒的使用性能。
因此有必要借助有限元分析软件对卷筒稳定性进行仿真分析，探讨卷筒壁厚优化设计的可靠 依据。
1 传统方法计算卷筒稳定性港珠澳大桥2000t 门式起重机小车卷筒设计为单层缠绕双联卷筒，卷筒表面加工有标准螺旋绳槽。
卷筒长度L =6200mm ，名义直径D =2500mm ，壁厚δ=44mm ，绳槽节距t =49mm ，单根钢丝绳拉力S max =366.9kN 。
卷筒结构如图1所示。
图1 2000t 起重机卷筒结构图对于直径大于1200mm ，长度大于2D 的薄壁焊接卷筒，需要进行稳定性验算。
传统的卷筒应力和稳定性计算公式如下：卷筒筒壁最大应力σc =A 1A 2S max /δt（1）失稳临界压强P w ＝52500δ3/R 3 （2）卷筒壁压强P =2S max /Dt （3）稳定性系数K =P w /P （4）其中A 1为绳圈绕入时对筒壁应力的影响系数，一般取A 1=0.75；A 2为与卷筒层数相关的系数，对单层卷绕取1；δ为卷筒壁厚；R 为卷筒绳槽底半径；D 为卷筒绳槽底直径；t 为钢丝绳卷绕节距；S max 为钢丝绳最大静拉力。
薄壁结构的变形与屈曲分析与优化
薄壁结构的变形与屈曲分析与优化薄壁结构是指结构壁厚相对较小，常见于许多工程领域，包括建筑工程、航空航天工程、汽车工程等。
由于其特殊的结构形式和材料特性，薄壁结构的变形与屈曲问题成为了工程中需重点关注的一个方面。
本文将探讨薄壁结构的变形与屈曲分析，并提出一些优化方法。
1. 薄壁结构的变形分析在分析薄壁结构的变形之前，需要先了解其基本特性和材料力学参数。
薄壁结构的特点是结构的厚度相对较小，从而使得它们在承受载荷时候表现出了很大的变形能力。
主要有以下几个变形特点：1.1 弯曲变形薄壁结构在受到外力时会发生弯曲变形。
这是由于载荷作用下，结构在横截面上产生了弯矩，从而使材料在承受力的方向上发生拉压应变，导致结构产生弯曲。
1.2 屈曲变形当薄壁结构受到压力作用时，如果压力达到一定程度，结构将会发生屈曲变形。
屈曲是结构在承受压力时发生的一种不稳定状态，结构的刚度降低，容易产生挠曲变形。
1.3 拉伸变形当薄壁结构受到拉力作用时，结构会发生拉伸变形。
拉伸引起的变形和应力集中现象需要进行准确的分析，以保证结构的稳定性和安全性。
2. 薄壁结构的屈曲分析在分析薄壁结构的屈曲时，常用的方法之一是欧拉屈曲理论。
欧拉屈曲理论是基于各部分求和，得到整体屈曲方程的方法。
该理论的前提是材料均匀、各部分处于同一平面且未扭转。
根据欧拉屈曲理论，薄壁结构的屈曲载荷与结构的几何形状、材料性质和边界条件有关。
除此之外，还可以通过有限元分析等数值方法来进行薄壁结构的屈曲分析。
有限元分析是一种基于数值计算的方法，通过划分结构为有限个亦或称单元，建立相应的数学模型，求解结构在受到外力作用下的应力、应变和位移等。
3. 薄壁结构的优化薄壁结构的优化是为了改善结构的性能和减小结构的变形和屈曲。
常用的优化方法包括：3.1 材料选择优化通过选择合适的材料，可以在不改变结构形状的前提下提高结构的抗弯刚度和抗屈曲能力。
一些常用的优质材料如高强度钢和复合材料可用于替代普通钢材等强度低的材料。
屈曲分析常用方法
屈曲分析常用方法屈曲（buckling）是指当一个长、细的构件受到压缩力作用时，由于其固有的弯曲刚度过小而导致的失稳现象。
屈曲分析是在结构设计和分析中非常重要的一部分，它能够帮助工程师预测和控制结构在压缩力下的稳定性。
本文将介绍常用的屈曲分析方法。
一、线性弹性屈曲分析方法线性弹性屈曲分析是结构工程中最为常用的方法之一。
它基于线弹性理论，在计算建筑物或其他结构在受压力作用下的屈曲承载能力时非常准确。
采用这种方法时，首先需要定义结构的材料特性和截面形状，然后利用弹性力学理论计算结构的屈曲载荷和屈曲形态。
线性弹性屈曲分析方法的优点是计算简便、准确度高，适用于大部分结构。
二、非线性屈曲分析方法非线性屈曲分析方法更为复杂，它考虑到了材料和结构在屈曲承载能力附近的非线性行为。
这种方法适用于材料有一定塑性变形能力的情况，比如钢材等。
相比于线性弹性屈曲分析方法，非线性屈曲分析方法考虑了材料的刚度退化和强度减小等因素，能够更准确地描述结构在失稳时的行为。
三、有限元分析方法有限元分析方法是一种数值分析方法，它将结构划分为有限数量的单元，通过求解每个单元的力学方程和应变方程来获得结构的整体响应。
在屈曲分析中，有限元分析方法可以采用线性或非线性模型，通过迭代计算得到结构的屈曲载荷和屈曲形态。
有限元分析方法灵活度高，适用于复杂结构的屈曲分析，但需要借助计算机进行计算，计算量较大。
四、实验方法在某些情况下，为了确保对结构的屈曲行为有一个准确的判断，工程师会采用实验方法进行验证。
实验方法可以通过对试验模型施加压缩力并观察其稳定性来判断结构的屈曲承载能力。
这种方法对于复杂结构或者对特殊情况下的屈曲行为有较好的应用效果。
综上所述，屈曲分析的常用方法包括线性弹性分析方法、非线性分析方法、有限元分析方法和实验方法。
工程师可以根据具体的结构情况选择合适的分析方法，预测和控制结构在压缩力下的稳定性，从而保证工程的安全和可靠性。
一阶屈曲的特征值和失稳波数
一阶屈曲的特征值和失稳波数一阶屈曲的特征值和失稳波数在工程和物理学中，一阶屈曲是指在材料或结构受到外部压力或载荷作用下的第一种失稳形态。
通过对一阶屈曲的特征值和失稳波数进行研究，可以帮助我们更好地理解材料或结构的稳定性和性能特点，对于工程设计和材料选择具有重要意义。
一阶屈曲的特征值和失稳波数是指在材料或结构发生失稳时，对应的临界载荷或临界压力值以及波动模式的数量和特性。
通过对这些特征值和失稳波数的分析，可以揭示材料或结构失稳的机理和规律，为工程设计提供理论依据和指导，同时也为材料性能的评估和改进提供重要参考。
一阶屈曲的特征值通常可以通过理论计算、数值模拟或实验测试等方法获得。
在进行研究时，需要考虑材料的物理特性、结构的几何形状和外部加载条件等因素，综合考虑材料的弹性、塑性、屈曲和失稳等性质，并结合适当的理论模型和方法进行分析。
通过计算或试验得出的特征值可以反映材料或结构的稳定性和承载能力，为工程实践提供重要参考。
失稳波数则是描述材料或结构在失稳时产生的波动现象的数量，以及波动的空间分布和形态。
失稳波数的分析可以揭示材料或结构在失稳时所表现出的振动和波动特性，有助于理解其失稳机理和动态行为。
在研究失稳波数时，需要考虑波动的频率、波长、振幅和相位等因素，结合数学物理方法和工程力学原理进行分析和计算。
通过对失稳波数的研究，可以为阐明材料或结构失稳的本质和特点提供重要线索。
一阶屈曲的特征值和失稳波数是材料力学和结构力学领域的重要概念，对于研究材料性能、开发新材料、设计工程结构等具有重要意义。
通过充分理解和掌握一阶屈曲的特征值和失稳波数，可以促进工程技术的发展和创新，为材料科学和工程实践的进步提供有力支撑。
个人观点：一阶屈曲的特征值和失稳波数是材料和结构失稳行为的关键指标，对于预测和评估材料性能和结构稳定性具有重要意义。
在工程实践中，我们需要深入理解这些概念，结合理论分析和实验测试，不断完善相应的研究方法和技术手段，以提高材料和结构的安全性、可靠性和经济性。
高强度钢材钢框架屈曲约束支撑结构抗震性能与设计方法研究
。
02
复杂环境因素影响
地震作用是一个复杂的环境因素，涉及到多种不确定性因素，如地震强
度、震源深度、场地条件等，需要进一步深入研究这些因素对屈曲约束
支撑结构抗震性能的影响。
03
精细化设计方法
目前对于高强度钢材钢框架屈曲约束支撑结构的抗震设计方法尚不够精
细化，需要进一步发展基于性能的设计方法，考虑材料非线性、几何非
研究结果可以为高强度钢材钢 框架屈曲约束支撑结构的抗震 设计和应用提供理论依据和实 践指导。
同时，研究成果也可以为其他 类似结构的抗震设计和研究提 供参考和借鉴。
02
国内外研究现状及发展趋势
国内外研究现状
国内研究
国内对高强度钢材钢框架屈曲约束支撑结构的研究尚处于初 步阶段，主要集中在材料的力学性能、构造细节和设计方法 等方面。目前，国内的研究成果主要集中在一些学术论文和 专利中。
框架结构模型建立
模型设计
根据实际工程需求和试验条件，建立高强度钢材钢框架屈 曲约束支撑结构模型，考虑材料性能、几何非线性、支撑 类型和数量等因素。
几何非线性
考虑结构模型的几何非线性，如梁柱弯曲和剪切变形等， 以精确模拟结构的真实行为。
材料性能
考虑高强度钢材的力学性能，如弹性模量、屈服强度和抗 拉强度等，以及可能的材料缺陷和损伤。
优化算法选择及参数确定
优化算法
采用混合遗传算法和模拟退火算法进行优化。混合遗传算法结合了遗传算法和模 拟退火算法的优点，能够处理复杂的约束优化问题。模拟退火算法通过引入退火 过程，避免陷入局部最优解。
参数确定
包括群体大小、交叉概率、变异概率、退火温度等。通过试验和经验选择合适的 参数，以获得良好的优化效果。
轿车翼子板屈曲抗凹性能分析及优化
轿车翼子板屈曲抗凹性能分析及优化作者：***来源：《汽车与驾驶维修（维修版）》2023年第12期关键词：屈曲抗凹；覆盖件；CAE ；优化设计中图分类号：U463.83+2 文献标识码：A0 引言汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、行李舱等的金属板件，是汽车的重要组成部分。
汽车覆盖件的质量指标主要包括以下几个方面：尺寸精度、表面质量、力学性能、金相组织、焊接质量、装配质量和耐腐蚀性等。
在设计生产时，要符合工艺要求和产品标准，以保证汽车的安全性和使用寿命。
翼子板是遮盖车轮的车身外板，是安装在汽车车轮周围的金属板，主要作用是防止车轮在行驶过程中溅起的泥土、石子等杂物飞到车身和其他车辆上，同时也可以保护车轮和制动系统不受外界杂物的侵害。
翼子板在设计时要保证前轮转动及跳动时的最大极限空间，因为其所处特殊位置，在使用中容易受到外载荷的作用，如人为接触按压等，使其局部凹陷或产生永久变形。
屈曲分析主要是一个涉及结构力学的问题，主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷。
其基本原理是计算结构在给定载荷下的弹性变形和应力分布，并确定结构的屈曲模态和屈曲载荷[1]。
本文针对某车型翼子板屈曲抗凹性能进行分析，对其优化方案进行论证，最终达到目标要求。
1 有限元模型建立有限元模型的前处理是有限元分析的关键步骤之一。
建立有限元模型首先要确定研究对象，包括其几何形状、边界条件和材料属性等。
其次是划分单元，也就是将研究对象划分为若干个单元，每个单元由若干个节点组成。
单元的形状和大小应该根据研究对象的几何形状和受力情况来确定。
在划分单元之后，需要定义每个节点的坐标和自由度。
节点的自由度取决于研究对象的运动方式和约束条件。
最后是定义单元属性，如弹性模量、泊松比等。
翼子板有限元模型主要是车身外板翼子板部件，通常采用壳单元模拟。
壳单元是一种用于模拟薄壁结构的有限元单元，它是一種二维结构单元，通常用于模拟平板、壳状结构和管道等具有一定厚度的结构。
多种概率分布的随机参数结构屈曲特征值分析
＝
— —
般工 程分 析 中假定 结构 随机参 数 是服从 高
（ ）
Ｏ
（） ２
斯 正 态分 布 的 ， 多 随机 方 法 也 主要 是 针对 和适 很 用 于 正态 随 机 分 布情 况 ， 如 文献 ｉ － 而实 际 工 例 －］ ６． 程 中的随 机 参 数模 型 则 不 总是 服从 正态 分 布 的． 基 于 以上 分 析 ， 中对 随 机 结构 的随 机 变量 在 服 文
如果 仅考 虑一 维随机 变量 情 况 ， 正交 多项 非
式 基前 ３阶 可以写为
［ １
］
２ 屈 曲特 征 值 的递 推 求解 方 法
对 于平 面梁 系结 构 ， 如果 考 虑结 构 弹 性模 量 和截 面几 何 尺寸 的 随机 性 ， 可 以将结 构 任一 单 总
非 正 交 多项 式 展 式
摘 要 ： 用 随 机 收 敛 的 非 正 交 的 多 项 式 展 式 表 示 未 知 的随 机屈 曲 特 征 对 ， 随 机 结 构 的 随 机 变 量 采 对
在 服 从 多 种 概 率 分 布 情 况 下 的屈 曲 特 征 值 进 行 了研 究． 例 表 明 ． 于 服 从 多 种 概 率 分 布 的 随 机 算 对 结 构 屈 曲特 征 值 问 题 ， 当参 数 变 异 性 较 大 时 ． 使 只采 用前 ４阶 非 正 交 多项 式 展 式 ， 近 的结 果 仍 即 逼 然 较 好 ． 算 结 果还 表 明 。 果 把 非 高 斯 分 布 的 随 机 参 数 模 型 用 高 斯 分 布 模 型 进 行 分 析 ， 给 研 究 计 如 将 带 来 相 当大 的误 差 ， 而且 这 种 误 差 随 参 数变 异 性 的增 大 而 增 大 ．
屈曲特征值问题的边界元分析
屈曲特征值问题的边界元分析
屈曲特征值是流体力学研究的重要概念，在船舶设计过程中也十分重要，用于衡量船只的各项性能，如航速、应力、抗折性能等。
在船体性能分析中，边界元法是一种重要的分析方法，用于计算屈曲特征值。
本文将介绍边界元法的基本原理以及在计算屈曲特征值方面的应用。
一、本原理
边界元法是一种微分方程的数值解法，它可以用来求解船体力学中的屈曲特征值。
原理是通过对船体边界条件的对应，在空间分割为有限的计算单元，其中的每个节点可以表示为一个非线性的微分形式，由此产生大量简化的微分方程，再通过合理的表达求解出船体的屈曲特征值。
二、用
边界元法在屈曲特征值计算中可以获得比较准确的结果，主要有以下几个主要应用：
（1）结构参数模型的损伤分析。
可以用边界元法，根据船体的
设计几何参数，计算出船体受力状态，用以模拟船体屈曲行为，评估船体性能。
（2）船体应力计算。
边界元法可以模拟船体表面的屈曲变形，
将其变形转化为一个应力状态，从而计算出船体力学属性，例如应力、变形量等。
（3）抗折性能分析。
通过边界元法可以评估船体的抗折性能，
给出船体在抗折等特定负荷下的变形量、应变量以及抗折性能的系数，用以评估船体的抗折性能。
三、论
在船舶设计分析中，边界元法是一种有效的方法，可以计算出船体性能，如屈曲特征值、应力状态、抗折性能等，从而使船体设计在安全性、耐久性等方面更经济更可靠。
钢栈桥屈曲稳定性分析研究
钢栈桥屈曲稳定性分析研究摘要：本文依托施工临时结构，针对钢栈桥的运载不同的多种工况下，对钢栈桥的屈曲稳定性进行验算，通过验算钢栈桥的最小特征值大小，从而判定该结构的稳定性。
尤其是对于高墩临时结构，工程上很容易忽视此类问题，屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，包括线性屈曲和非线性屈曲分析。
线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析。
本文利用Midas Civil有限元软件分别对八种工况下，钢栈桥进行屈曲分析，通过特征值的大小判定结构的稳定性。
关键词：钢栈桥屈曲特征值一、钢栈桥及屈曲的作用钢栈桥是一种装配式、可周转循环使用的绿色桥梁，广泛应用于灾后恢复应急桥、桥梁施工过程的施工平台、桥梁和地铁制造过程的模板支撑等，国内常用的为桁架贝雷桥，由标准贝雷片组合。
近几年来，大跨度钢栈桥因为重量轻，抗震性能好，跨度大，在新建改建工业建筑中得到广泛运用，尤其是作为搭建跨越障碍物的临时结构。
其承载能力在施工过程中也存在着至关重要的作用。
然对于高墩钢栈桥，开展屈曲稳定验算是一项不可忽视的工序。
二、工程背景与有限元模型建立论文依托工程为某河流的施工临时结构钢栈桥，标准跨径为72m，标准桥宽6m，加宽段跨径为15m，桥宽8.71m。
桥型立面布置图见图1所示。
并且采用Midas/Civil建立有限元模型。
如图2所示。
图1 桥梁立面布置示意图图2 主梁有限元实体模型三、钢栈桥施工屈曲工况分析本文按照项目要求，将施工工况分设计为八类，每一类分别对钢栈桥进行受力验算。
（一）设计工况分析设计时按以下8种工况计算。
工况（1）：50T混凝土罐车作为移动荷载通过栈桥，为了保守设计，本栈桥设计车辆在通过平台时应该行驶在偏离钢栈桥横桥向2m处。
此工况跨度最大、车辆重量大。
荷载组合：结构自重+ (满载混凝土罐车) +0.75×(水流荷载)工况（2）：73t旋挖机作用在钢栈桥顺桥向上0m处。
荷载组合：结构自重+0.75× (水流荷载)+（73t旋挖机）+（施工荷载）。
一阶屈曲的特征值和失稳波数
一阶屈曲的特征值和失稳波数【原创实用版】目录1.引言2.一阶屈曲的特征值和失稳波数的定义3.一阶屈曲的特征值和失稳波数的计算方法4.一阶屈曲的特征值和失稳波数的应用5.总结正文【引言】在物理学和工程领域中，屈曲现象被广泛研究，因为它是结构失稳的主要原因。
一阶屈曲是屈曲现象的一种，它涉及到结构在受力情况下的形变。
特征值和失稳波数是一阶屈曲的两个关键参数，它们可以描述结构的失稳特性。
本文将介绍一阶屈曲的特征值和失稳波数的定义、计算方法和应用。
【一阶屈曲的特征值和失稳波数的定义】一阶屈曲是指结构在受力过程中，从原始形状转变为失稳形状的过程。
在这个过程中，结构的某些固有振动模式会与受力模式相互作用，导致结构的失稳。
特征值和失稳波数是用来描述这种失稳现象的参数。
特征值是指在特定受力条件下，结构振动模式的固有频率。
它可以通过求解结构的特征方程得到。
失稳波数则是指结构在失稳状态下，振动模式的波数。
它可以通过计算特征值和结构尺寸的关系得到。
【一阶屈曲的特征值和失稳波数的计算方法】计算一阶屈曲的特征值和失稳波数需要先求解结构的特征方程。
特征方程是一个关于特征值和结构尺寸的方程，可以通过数值方法求解。
常用的数值方法有：子空间法、迭代法和直接解法等。
在求解特征值后，可以通过特征值和结构尺寸的关系，计算失稳波数。
失稳波数的计算方法取决于结构的具体形状和受力条件。
对于简单的结构，可以采用解析方法计算；对于复杂的结构，则需要采用数值方法计算。
【一阶屈曲的特征值和失稳波数的应用】一阶屈曲的特征值和失稳波数在工程领域中有广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1.结构设计：通过分析结构的特征值和失稳波数，可以了解结构的失稳特性，从而指导结构设计，提高结构的稳定性。
2.结构分析：在结构受力分析中，特征值和失稳波数可以用来判断结构在受力过程中的稳定性，为结构分析提供依据。
3.结构优化：通过调整结构的特征值和失稳波数，可以实现结构的优化设计，提高结构的性能。
筒体结构特征值屈曲影响因素敏感性分析
CFHI2019年第4期（总190期）yz.js@CFHI TECHNOLOGY表1筒体屈曲分析影响因素方案表圆柱形结构具有容积比高、易于加工、力学特征良好等优势，在石油化工、核电等工业领域中得到了广泛的应用。
随着科学技术的进步，圆柱形容器的制造规格越来越大。
但是圆柱形筒体的屈曲成为更高更薄圆柱形容器制造的一个关键影响因素[1]。
屈曲分析是一种确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状（结构发生响应时的特征形状）的技术。
评价圆柱形筒体的屈曲方法有很多，美国的ASME 规范N-759给出了核电设备用有/无加强环的圆柱形壳体和圆锥体，无加强的球罐、椭圆形壳体及蝶形封头的许用压缩应力的替代规则[2]。
目前，有限元屈曲分析主要有两种分析类型：特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。
其中，特征值屈曲分析方法更为简单，相当于弹性屈曲分析方法[3]。
本文利用ANSYS 商用软件，通过分析计算筒体屈曲特征值的方法，对筒体的屈曲影响因素进行分析，从而为类似的筒体结构设计，提供理论依据。
1方案介绍对于标准的圆柱形筒体，主要尺寸有：内径、厚度和高度。
为了分析这三项物理量对筒体屈曲的影响，笔者给出分析设计方案（见表1）。
通过改变圆柱筒体内径、厚度和高度的方式，研究其对筒筒体结构特征值屈曲影响因素敏感性分析闫迎辉1，李刚1，李蕤2摘要：利用ansys 对影响筒体结构屈曲的影响因素进行研究。
通过对筒体结构在不同厚度、高度及直径的特征值分析计算，得到各影响因素对屈曲分析敏感性影响结果，为筒体设计过程中的屈曲分析影响因素提供技术支持。
关键词：圆柱筒体；屈曲特征值分析；ansys中图分类号：TH49文献标识码：A 文章编号：1673-3355（2019）04-0004-03Sensitivity of Factors to Eigenvalue Buckling Analysis of Shell StructuresYan Yinghui ，Li Gang ，Li RuiAbstract:The factors that cause the bulking of shell structures have been analyzed with a commercial program ANSYS.The eigenvalue bulking analysis to cylindrical shell structures with different thickness,height and diameter reveals the sensitivity of those factors to the buckling of shell structures,which can be referenced for the analysis of buckling factors for shell designin future.Key words:cylindrical shell ；eigenvalue buckling analysis ；ANSYS10.3969/j.issn.1673-3355.2019.04.0041.一重集团大连工程技术有限公司工程师，辽宁大连1166002.一重集团大连工程技术有限公司高级工程师，辽宁大连116600方案内径（mm ）厚度（mm ）高度（mm ）2400040008152019年第4期（总190期）CFHIyz.js@一重技术体屈曲的影响，进而确定各个变量对筒体影响的大小。
基于遗传算法的薄壁加筋圆柱壳屈曲承载力优化
基于遗传算法的薄壁加筋圆柱壳屈曲承载力优化赵斌，龙连春（北京工业大学机电学院，北京，100124）摘要：本文以承受轴压的薄壁加筋圆柱壳屈曲承载力为目标，考虑加筋数量及主要尺寸的影响，建立了优化模型，对既含有连续变量又含有离散变量的优化模型用遗传算法求解。
利用ANSYS提供的参数化语言APDL建立参数化分析模型，用MA TLAB遗传算法工具箱中的优化求解程序求解。
优化迭代过程中，由MA TLAB遗传算法程序调用ANSYS有限元分析程序对壳体结构进行屈曲分析。
优化设计得到了较理想的配筋数目以及筋条的截面尺寸。
并将优化后的结构特性与等体积的无加筋光滑圆柱壳作了对比，结果表明：与等体积的不加筋光滑圆柱壳相比，在施加适当的加筋数目，筋条截面尺寸合理的情况下，结构的临界失稳承载力有了显著提高。
关键词：加筋圆柱壳；遗传算法；屈曲承载力；优化设计1引言薄壳结构在实际工程中的应用极为广泛，但是这类结构在受载过程中都有稳定性的问题。
如何提高薄壁壳体结构稳定性一直受到理论研究者和工程师的重视。
在薄壁圆柱壳的屈曲理论和实验研究方面。
祝恩淳等[1]通过对大量的实验数据进行数理统计分析，提出了计算轴心受压圆柱壳屈曲应力的经验公式。
沈敏敬等[2]分别采用解析方法与特征值屈曲有限元方法分析了圆柱壳结构在均匀轴压作用下的稳定性能，得到了屈曲承载力，并进行了对比分析。
ncaster等[3]对承受轴向压力的薄壁圆柱壳的反常屈曲行为进行了分析。
指出试验中特殊的边界条件、底端支撑条件和试验假设影响了试验结果。
L.Wullschleger[4]等采用包括线性，非线性以及动态非线性有限元方法，进行了具有几何缺陷圆柱壳屈曲承载力的分析，讨论了相关的效果和潜在的困难。
同时，如何提高薄壁圆柱壳屈曲承载力也是学者们关注的问题。
提高薄壁圆柱壳屈曲承载力的方法有很多种，其中在圆柱壳施加纵向和环向的筋条，是一种有效地提高圆柱壳屈曲承载力的方法。
基金项目：国家自然科技基金资助项目（10972013）作者简介：龙连春(1963-)，男，教授，博士， longlc@ 在圆柱壳上添加筋条，可以增大圆柱壳的整体刚度，发挥筋条和蒙皮的双重作用，提高圆柱壳结构的稳定性。
钢支架支撑结构的屈曲分析及优化研究
钢支架支撑结构的屈曲分析及优化研究高文普;彭宣茂【摘要】以某超高层钢结构中箱形截面柱的钢支架支撑结构为研究对象,应用SAP2000有限元软件建立钢支架的模型,通过施加合理的边界条件对钢支架仿真模拟,进行屈曲计算分析;屈曲分析完成后,对整个支撑结构进行了进一步的优化研究,得出了合理的优化结果,解决了施工单位关心的结构屈曲等安全性问题.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2014(036)002【总页数】3页(P84-86)【关键词】钢支架;仿真;屈曲;优化【作者】高文普;彭宣茂【作者单位】河海大学力学与材料学院,南京210098;河海大学工程力学系,南京210098【正文语种】中文【中图分类】TU973.13钢柱是钢结构中钢梁和组合楼板的竖向支撑平台，进行荷载的竖向传递，是钢结构的主受力构件。
在超高层钢结构的钢柱吊装施工中，由于钢柱太重体积太大，超高层钢结构的钢柱在吊装前需要在下面事先设置钢支架支撑结构以辅助完成钢柱的吊装施工;而设置的钢支架支撑结构如果因为结构屈曲或强度不足导致重大工程事故，问题就很严重;此时，对设置的钢支架支撑结构进行屈曲分析就尤为重要，要避免钢支架支撑结构因屈曲失稳而导致钢结构房屋倒塌等安全性问题。
随着计算机软、硬件的发展，基于数学力学方法的结构优化设计的理论也有较快发展。
目前，主要的优化方法有尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化和类型优化;由单目标优化发展到多目标优化;由确定性优化发展到不确定性优化;由工程结构静力优化发展到静动力优化，优化设计层次在不断提高［3］;本文采用尺寸优化的方法对钢支架支撑结构进行优化研究，通过对钢支架支撑结构优化分析研究，在结构安全的前提下，钢支架支撑结构的结构承载性能得到了良好的改进，同时，大幅节约了钢材的用量。
本工程由钢结构塔楼和裙房组成;塔楼地下4层，建筑面积5.61万m2，地上61层，建筑面积12.95万m2，建筑高度339.88m;本工程的裙房部分已按设计院的原设计方案施工完成;在原设计方案中设计院设计的基础底板标高－18.05m，在按照原设计方案设计的基础底板施工完成后发现不能继续进行施工，故请设计院重新进行设计，重新设计的基础底板标高－12.85m。
钢结构的设计优化与性能提升
钢结构的设计优化与性能提升钢结构作为一种重要的建筑结构形式，在现代建筑领域得到了广泛的应用。
为了提高钢结构的安全性、可靠性和经济性，设计优化与性能提升成为了一个重要的研究方向。
本文将从设计优化与结构性能提升的角度出发，探讨钢结构的相关问题，并介绍一些常见的优化方法和改进技术。
一、设计优化1. 结构拓扑优化结构拓扑优化是指通过改变结构的形态，优化材料配置以减少结构质量的一种方法。
目标是使结构在给定约束条件下的重量最小化。
常见的拓扑优化方法包括：采用格子模型、遗传算法、拓扑检查法等。
通过优化后的设计，可以充分利用材料的性能，提高结构的承载能力和刚度。
2. 截面尺寸优化截面尺寸优化是指通过调整结构截面的尺寸和形状，使结构在满足强度、刚度和稳定性等要求的前提下，减小结构的材料损耗。
截面尺寸优化可以通过数值计算方法，比如有限元分析，进行求解。
合理的截面尺寸优化可以减轻结构自重，提高结构的抗震性能和整体稳定性。
3. 材料优化材料优化是指通过选择合适的材料和材料特性，改善结构的性能。
现代钢材种类繁多，如碳素钢、低合金钢、高强度钢等。
不同的钢材具有不同的特性，可以根据结构需求选择适合的材料。
此外，还可以通过合金化、热处理等手段改善钢材的性能，提高结构的耐久性和抗腐蚀性。
二、性能提升1. 抗震性能提升钢结构具有优良的抗震性能，然而，在地震频发地区或高度地震烈度区域，进一步提升钢结构的抗震性能仍然是一个重要的任务。
常见的抗震性能提升措施包括：增加剪力墙、加设剪力支撑、增加钢筋混凝土核心筒等。
这些措施可以提高结构的刚度和稳定性，减小结构的振动响应和变形。
2. 火灾安全性提升钢结构在火灾发生时具有较好的防火性能，然而，为了进一步提高结构的火灾安全性，可以采取一些措施。
例如，应用防火涂料和防火板材料进行阻燃处理，采用防火隔离带，设计合理的防火分区等。
这些措施可以减缓火势蔓延，延长结构的耐火时间，增加人员疏散时间。
3. 可持续性提升钢结构的可持续性是近年来越来越受到关注的问题。
多向张弦梁结构的结构稳定性分析及优化
多向张弦梁结构的结构稳定性分析及优化1. 引言多向张弦梁结构是一种常用于桥梁和建筑等领域的结构形式，由于其设计和施工相对简单、自重轻、刚度高等优点，被广泛应用。
然而，在实际使用中，多向张弦梁结构可能存在结构稳定性的问题，如屈曲、侧扭等。
因此，进行结构稳定性分析及优化是非常重要的。
2. 结构稳定性分析2.1 杆件屈曲分析杆件屈曲是多向张弦梁结构失稳的主要形式之一。
为了进行杆件屈曲分析，我们首先要确定结构的几何参数、材料特性和荷载条件，然后利用数值计算方法，如有限元分析，计算结构的屈曲载荷。
通过比较屈曲载荷与实际工作载荷，我们可以判断结构是否存在屈曲失稳的风险。
2.2 结构侧扭分析结构侧扭是多向张弦梁结构另一个常见的失稳形式。
在进行结构侧扭分析时，我们需要考虑结构的扭转刚度、转角约束以及荷载情况。
通过数值分析方法，如有限元分析，我们可以计算结构的扭转响应，并判断结构是否存在侧扭失稳的可能。
3. 结构稳定性优化为了提升多向张弦梁结构的稳定性，我们可以采取一些优化措施。
3.1 增加杆件截面尺寸通过增加杆件的截面尺寸，可以增加结构的刚度，减小杆件屈曲和结构侧扭的风险。
在进行优化时，需要综合考虑结构的荷载需求、材料性能和成本因素。
3.2 优化支座设置支座的设置对多向张弦梁结构的稳定性具有重要影响。
通过合理设置支座的位置和刚度，可以提高结构的整体稳定性。
优化支座设置时，需要综合考虑结构的受力情况和支座的约束条件。
3.3 考虑非线性效应在进行结构稳定性分析和优化时，常常需要考虑非线性效应，如几何非线性和材料非线性。
几何非线性指的是结构变形引起的刚度和载荷变化，材料非线性指的是结构材料的应力-应变关系不是简单的线性关系。
考虑这些非线性效应可以更准确地分析和优化多向张弦梁结构的稳定性。
4. 结论多向张弦梁结构的结构稳定性分析及优化是保证工程安全性和可靠性的重要步骤。
通过杆件屈曲和结构侧扭的分析，可以判断结构是否存在稳定性的风险。
薄壁结构的屈曲分析与优化设计
薄壁结构的屈曲分析与优化设计薄壁结构在工程领域中应用广泛，如建筑物的框架结构、航天器的外壳等。
然而，由于其结构的特殊性，薄壁结构在长时间的使用过程中，可能会发生屈曲失稳的问题。
因此，对于薄壁结构的屈曲分析和优化设计显得尤为重要。
本文将探讨薄壁结构的屈曲特性，介绍屈曲分析的方法，并讨论优化设计的原则。
一、薄壁结构的屈曲特性薄壁结构的主要特点是横向尺寸较大、纵向尺寸相对较小。
这种结构使得薄壁构件具有较高的刚度和承载能力，但也容易发生屈曲失稳。
薄壁结构在承受压力时，当应力超过一定临界值时，会引发局部稳定性的失效，即屈曲现象。
二、薄壁结构的屈曲分析方法1. 线性屈曲分析线性屈曲分析是最常用的屈曲分析方法之一。
该方法假设结构的材料和几何性质均呈线性关系，基于弹性力学原理，通过求解线性方程组来确定结构的屈曲载荷和屈曲模态。
2. 非线性屈曲分析在实际应用中，薄壁结构往往存在几何非线性和材料非线性等因素。
因此，采用非线性屈曲分析方法可以更准确地模拟薄壁结构的屈曲行为。
非线性屈曲分析方法主要包括基于有限元法的屈曲分析和基于实验的屈曲分析。
三、薄壁结构的优化设计原则在进行薄壁结构的优化设计时，需要考虑以下几点原则：1. 结构的稳定性：优化设计的目标是提高结构的整体稳定性，减轻屈曲失稳的风险。
因此，在设计中应合理选择结构的截面形状、尺寸和材料等参数。
2. 强度与刚度的平衡：考虑到结构的强度和刚度需求，优化设计应在确保结构强度的前提下，尽量减小结构的质量和成本。
3. 材料的选择：优化设计中应根据结构的要求选择合适的材料，以满足结构的刚度和强度要求。
同时，还需考虑材料的经济性和可靠性。
4. 结构的几何形状：结构的几何形状对于屈曲特性有着重要影响。
在优化设计中，可以通过调整结构的几何形状（如长度、宽度、高度等）来改变结构的屈曲行为。
根据以上原则，可以采用多种方法进行薄壁结构的优化设计。
例如，可以结合有限元法进行结构的拓扑优化，通过改变结构的截面形状和数量，来获得最优的结构形态。
基于ANSYS的浮空器组阵结构屈曲分析及优化设计
基于ANSYS的浮空器组阵结构屈曲分析及优化设计发布时间：2022-10-13T02:30:27.787Z 来源：《中国科技信息》2022年11期6月作者：丁淑娟[导读] ：针对空间太阳能电站地面演示系统，提出了一种空间大型浮空器组阵结构，丁淑娟湖南航天远望科技有限公司摘要：针对空间太阳能电站地面演示系统，提出了一种空间大型浮空器组阵结构，采用ANSYS有限元软件建立其桁架结构的三维模型并进行结构屈曲分析，判断桁架结构的稳定性。
以第1阶临界屈曲载荷为约束条件，对桁架梁截面的型材进行尺寸结构优化。
通过响应曲面分析和多目标遗传优化算法找到设计优化点，使优化后的桁架结构在保证结构稳定的前提下实现了轻量化设计，从而提高了系统的载重能力。
关键词：浮空器；结构屈曲；桁架优化设计；引言1968年美国科学家彼得·格拉赛博士提出了空间太阳能电站的构想。
这个构想是把太阳能电池阵发射到太空，收集大量的太阳光并进行光电转化，再将其产生的电能以微波形式传输到地球，再由天线接收将其转化为电能。
当前“逐日工程”试验系统主要由太阳能高倍聚光器、光电转换与电力管理系统以及无线传能的收发天线系统三大功能系统组成。
本文提出了一种空间浮空器组阵系统，用来承载球形太阳能反射面、发射天线等相关载荷，在空中实现悬停，进而与地面进行微波传能试验。
大型空间结构的失效往往是因为结构失稳，而不是达到强度极限。
因此针对该系统，利用ANSYS有限元软件建立其桁架结构三维模型，并验证其结构稳定性，进而对其型材截面尺寸进行结构优化，实现轻量化的设计目标，增强系统的载重能力。
1结构方案高空气球系统具有成本低、易于施放等优势，广泛应用于通信中继、环境监测等领域。
目前，高空气球承载工作载荷的方式主要为悬吊式，如图1所示。
图1悬吊式载荷示意图“逐日工程”试验项目如果采用悬吊形式，球形太阳能反射面会被气球遮挡，大大降低了系统的能量收集效率。
而且工作载荷质量较大，导致单一气球的体积十分巨大，这对材料强度、制造成本以及定位控制提出了极大挑战。
Abaqus屈曲分析（一）线性特征值屈曲
Abaqus屈曲分析（⼀）线性特征值屈曲∨本⽂由CAE数值优化轻量化授权转载结构稳定性问题是我们⽇常⽣活中经常遇到的问题，主要是发⽣在梁或壳结构中。
屈曲是⼀种失效模式，其特征是构件在⾼压应⼒作⽤下突然失效。
屈曲失效的实际压应⼒⼩于材料能够承受的最终压应⼒。
当构件或结构将膜应变能转换为弯曲应变能⽽外部施加的载荷不变时，会发⽣屈曲失效。
先来看⼀个简单的结构：⼀个长为L的细长杆，横截⾯积为A。
轴向刚度ka远⼤于弯曲刚度kb。
因此，微⼩的膜变形可以吸收⼤量的应变能。
然⽽，需要较⼤的横向挠度和横截⾯旋转来吸收弯曲中的能量。
如果让弯曲来吸收膜应变能，挠度将会远⼤于轴向变形。
⼏种典型稳定性问题：板件屈曲-分⽀问题：⼀般情况下，⼩的初始缺陷对平板的后屈曲响应没有显著影响，但可能影响屈曲⽅向。
突弹跳变（snap-through）-极限载荷问题预屈曲段的结构响应是⾮线性的。
因此，需要进⾏⼏何⾮线性分析来准确研究预屈曲⾏为。
结构不稳定发⽣在⼀个负载最⼤(极限载荷 点)位置。
⼀旦解在点A处变得奇异，结构就从A点翻转到B点。
在快速翻转过程中，响应变为动态的，结构释放弹性能转化为动能。
在B点存在⼀个稳定的静⼒平衡状态。
超过这⼀点，载荷P可以再次增加。
⽆加强筋的圆筒屈曲结构对⼩的初始缺陷表现出很强的敏感性。
对初始缺陷的考虑将分岔问题转化为极限载荷问题。
屈曲问题本质特征：A类问题：在分叉点前为线性响应B类问题：在缺陷敏感结构分叉点前为⾮线性响应缺陷敏感：实际结构的坍塌载荷受载荷⽅向、⽀承⽅式或⼏何形状的微⼩变化的强烈影响。
这些结构往往是求极限载荷问题。
ABAQUS⼀般有两种分析⼿段来处理这类分析问题：特征值屈曲分析和后屈曲分析。
A：线性特征值屈曲分析（针对A类问题）：1. ⽤于估计刚性结构的临界(分岔)载荷。
2. 使⽤abaqus线性扰动求解。
通常⽤来估计刚性结构的临界屈曲载荷。
想要特征值屈曲分析可以得到可靠的屈曲载荷的估计，需要满⾜以下假设前提：⼩⼏何变化、线性弹性材料响应，且缺陷不敏感。
房建结构设计中常见的优化技术研究
房建结构设计中常见的优化技术研究房建结构设计中的优化技术旨在提高建筑结构的性能和效益，以实现更加安全、稳定、经济、环保和可持续发展的目标。
以下是一些常见的房建结构设计优化技术的研究方向。
1. 材料优化：研究不同材料在结构设计中的性能和适应性，如钢材、混凝土、木材等。
通过选择合适的材料，可以提高结构的强度、刚度和耐久性，降低结构的重量和成本。
2. 结构拓扑优化：通过改变结构的形状、布局和连接方式，优化结构的受力路径，提高结构的承载能力和稳定性。
其中一种常用的方法是使用拓扑优化算法，通过在初始结构的基础上逐步删除冗余的材料，以达到最优结构形态。
3. 结构参数优化：研究结构设计中各个参数对结构性能的影响，并找到最佳参数取值。
通过调整柱子的截面尺寸和间距，可以优化结构的抗震性能；通过调整梁的高度和跨度，可以优化结构的刚度和承载力。
4. 结构连接优化：研究结构的连接方式和连接件对结构性能的影响，以提高结构的稳定性和耐久性。
通过优化节点的形状和连接件的尺寸，可以提高节点的刚度和耐久性，减少节点的应力集中。
5. 结构防护优化：研究结构的防护措施对结构性能的影响，以提高结构的抗震、防火和防腐蚀能力。
通过使用抗震支撑、防火涂料和防腐蚀涂层，可以提高结构的整体安全性和耐久性。
6. 结构可持续性优化：研究结构设计中的环境影响和资源利用，以实现结构的可持续发展。
通过使用可再生材料、减少能耗和排放、优化废弃物处理等措施，可以降低结构的环境负荷。
7. 多目标优化：研究结构设计中多个性能指标之间的冲突和权衡关系，以找到最优的设计方案。
在满足结构强度和稳定性要求的前提下，通过权衡重量、成本和施工难度等因素，找到最佳的结构参数和材料选择。
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参考文献 ：
的 ． 性 结构残余位移 比谱 ［ ］ 中国铁 道科 学，０ ７ ２ （ ） ４ — Ｊ ２０ ，８ ３ ：９
５ ５．
面 积
［］ ４
Ｇｈ ｂ ｒ ｈ Ａ ． Ｒｅ ｐｏ ｓ ｆＳ ｒ ｔ ｅ ｏ Ｎｅ ｒｆｕｌ Ｇｒｕｎ ｏ ｏ ａ ａ ． ｓ ｎ ｅ ｏ ｔｕｃｕｒｓ ｔ ａ —ａ ｔ ｏ ｄ Ｍ — ｔｏ ｓ， ３Ｗ ＣＥＥ ， ∞ Ｉ ｉｎ １ ２ ４．
＝
，
传统 的渐进结构屈 曲优化 方法 中 ， 于 高次超 静定 结构 ， 对 由 于单元的变化会 导致 内力 重分 布 ， 而影 响到几 何矩 阵 ， 进 而几何 矩阵的精确计算 直接影 响最终 的结 构稳定 特征值 的求 解。故灵
Ｆ （ ｌＡ ， ， … ， Ｆ （ ｌＡ ， ，Ａ ｊＡ ，２ … Ａ ， Ａ ）一 ｊＡ ，２ … （ 一△ ， ， ） Ａ ）…
一
种 提 高 结构 屈 曲特 征 值 的 优 化 方 法研 究
岳 海 玲
摘
要 ： 于渐进 结构优化的思想 ， 基 通过 引入屈 曲特征值影响 系数 的概念 ， 出一种提 高结构屈 曲特 征值 的实用优化 方 提
法， 该方 法可 以在 不改 变总质量的前提 下提 高结构的屈曲特征值 ， 并结合算例验证 了该方 法的有效性 。
［］ 韦 １
韬． 近断层速度 脉冲 对钢 筋混凝 土框 架结构 影响 的研
究［ ． Ｄ］ 北京 ： 中国地震局 地球 物理研 究所 硕 士学位论 文 ，
２ ５． Ｏ０
［ ］ 徐福 江， ５ 钱稼 茹． 常延性 系数弹塑性位移谱 及其应用 『 ］ 工 Ｊ． 程 力 学 ，０ ７ ２ （ ） １ —０ ２０ ，４ ６ ：５２ ．
敏度的计算存在少许误差 。如果结构 的重力是主要 荷载时 ， 若某 个单元 的某个实常 量发生 变化 时 ， 然导 致荷载 的变化 ， 必 若再 用 上述方法计算可能会带来一定的精度偏差。
考虑上述因素 ， 鉴影 响矩 阵的方法 ， 接从 导数 的定 义出 借 直
本文提 出一种屈 曲特征值影响系数 的求解方法和优化思路。 当前结构下求解特征值的灵敏度系数 ， 保证 了灵 敏度系数 的有效 发 ， 结构有限元模 型中单元 的总数为 ｎ 其第一类屈曲问题 的第 Ｊ ， 性 。文献［ ］ ４ 针对于实际工程结构提出一种斜拉桥索力优化 的影 阶特征值 可以看成 为单 元面积 （ ＝１ ２ … ， ） ｉ ， ， ｎ 的函数 ， 以表 可 响矩阵法 。传统的渐进结 构优 化方 法仅针 对单元 比较单 一 的结 示 为 如 下形 式 ： 构可行 ， 较难适 用于多种单元组合 的结构 。本文借 鉴渐进优 化方
● ●
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法 。该方法是通 过建立影 响矩 阵得 到斜拉桥 索力 与其他 各力学 物理量 间的灵 敏度关 系 ， 利用 该 灵敏度 矩 阵进 行斜 拉 桥结 构优
化。
改变微小量 △ 则结构 的第一类 屈 曲的第 阶特征 值将发 生变 Ａ， 化。将这个变化量用 表 示 ， ： 则
关 键 词 ： 曲分 析 ， 响 系数 ， 化 屈 影 优 中图 分 类 号 ：Ｕ １ Ｔ ３３
文 献 标 识 码 ： Ａ
Ｏ 引 言
文献［ ］一［ ］ １ ３ 采用渐进 优化算法研 究 了结 构的特 征值优化 方法 ， 并对板结构及刚架 结构 进行 了求解 。该方 法通过逐 步改变 材料的分布达到结构在某 个 目标下 的最优 。优 点是 每一步 都在
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｎ ｄ ｓ ａ ｅ ｅ ｅ ｐ ｎ ｅ ｓ ｅ ｔ ａ ｓ ａ ｃ ｏ ｉｐｌ ｃ ｍ ｎｔｒ ｓ ｏ ｓ ｐ ｃ ｒ
ｕｎ ｅ ｆｅ ｔ ｏ ｅ ｏ ｉｙ ｐｕ ｓ ａ ｔ ｕａ ｔｎｅ ｒ ｆ ｕ ｔ ｇ ｏ ｄ ｄ ｒ ｅ ｃ ｆ ｖ ｌ ｃ ｔ ｌｅ ｅ ｒ ｈｑ ｋｅ ａ ａ －ａ ｌ ｒ ｕｎ