计算机仿真分析在结构设计竞赛中的应用

计算机仿真分析在结构设计竞赛中的应用

发表时间：2018-11-16T20:35:14.847Z 来源：《基层建设》2018年第26期作者：邱钟宏

[导读] 摘要：针对2017年第十一届全国大学生结构设计竞赛广东省分区赛赛题而写，题目是在给定的区域设计与制作承受吊重及平衡重的塔吊结构，说明将拓扑优化软件Solidthinking-Inspire和有限元分析软件SAP2000引入结构设计比赛，进行结构选型和构件截面优化设计，有助于提高结构设计大赛的分析和设计水平。

华南农业大学水利与土木工程学院广东广州 510642

摘要：针对2017年第十一届全国大学生结构设计竞赛广东省分区赛赛题而写，题目是在给定的区域设计与制作承受吊重及平衡重的塔吊结构，说明将拓扑优化软件Solidthinking-Inspire和有限元分析软件SAP2000引入结构设计比赛，进行结构选型和构件截面优化设计，有助于提高结构设计大赛的分析和设计水平。

关键词：结构选型；截面优化；建模；最优解

引言

近些年来，越来越多结构设计大赛命题都趋向于给定空间设计模型，并于指定位置进行约束和荷载施加。且构件截面设计也是参赛者的难题之一，构件截面承载能力影响结构整体承重能力。本文针对2017年第十一届全国大学生结构设计竞赛广东省分区赛赛题，借助了拓扑优化软件Solidthinking-Inspire进行结构选型设计，和利用有限元分析软件SAP2000进行构件截面优化，说明使用计算机软件优化设计可以提高结构设计比赛的分析水平。

1 赛题概述

竞赛模型为承受静力荷载的塔吊结构，采用竹质材料制作，具体结构形式不限。通过夹具螺栓将结构固定于加载台上。采用悬挂砝码实现加载（先在塔吊平衡臂端部施加10kg再在其吊臂端部施加8～12kg）。且塔吊的两端加载点处垂直向下位移均不能超过允许位移值[w]=20mm。

2 模型设计

2.1 建立比赛塔吊模型

第一步，确定结构选型。为了使结构受力均匀，选择类桁架结构，此结构模型在此次竞赛中荣获一等奖，采用SAP2000对其进行建模，如图1所示。

图 1 比赛作品建模图 2 优化塔吊建模

第二步，定义材料属性。超静定结构在外荷载作用下的内力与各杆的刚度相对值有关，且结构的刚度也与材料属性有关，所以材料属性对结构内力计算十分重要。根据文献[1]中测定的材料参数输入软件。

第三步，定义自动选择列表截面。分别定义了厚度为0.35和0.5mm的正方形薄壁截面。对应每种厚度，分别定义了边长为2、4、6、

8mm的截面。然后将全部截面添加到一个自动选择列表截面，以供构件截面优化时使用。优化前将自动选择列表截面中任意一组截面赋给全部构件。

第四步，构件截面承载力验算和截面优化设计。采用SAP2000中钢结构设计模块对构件进行截面承载力验算和截面优化设计。根据专著[2]，SAP2000用应力比来衡量截面实际应力接近承载力的程度，应力比定义为实际应力与承载力的比值。截面优化后各个构件截面的应力比中数值差异更小，且使其应力比数值接近于0.9。求得优化之前结构模型自重为140克，优化之后为104克，优化之前少了36克，说明结构的荷质比更高。

2.2 建立优化塔吊模型

采用SolidThinking-Inspire[3]在赛题规定下的区域内建立设计空间，在指定柱脚处施加固定端约束，将加载点设计于上弦杆或下弦杆的指定位置上，施加荷载（第三级荷载取最大值12kg），按照最小质量跟最大刚度的设计要求且两者质量相同，荷载级数为3时得到以下结果，如表1所示。

表 1 优化结果表

根据表1可知：当加载点位于上弦杆时，结构构件均为受压构件，模型自重过重且加载点位于上弦杆时加载点过高，模型重心不稳，易发生失稳现象；当加载点位于下弦杆时，充分利用材料的抗拉性能，节省材料，结构重心相对较低，不易发生失稳现象，结构稳定性高。鉴于此，我们选择加载点位于下弦杆的优化结构。

以第三级荷载下加载点位于下弦杆的拓扑优化结构作为参考，适当调整各杆件之间的距离和角度，得到新的结构选型。采用SAP2000进行建模，所得结构模型如图2所示。

3 方案对比分析

采用SAP2000中钢结构设计模块对两个结构模型都进行构件截面承载力验算和截面优化设计。经过反复分析设计，最终两个模型各个构件的应力比基本一致，且两个模型质量相等，均为104克。对两个模型在三级荷载作用下进行内力求解，各级加载数据如表2所示。

表 2 各级加载数据表

（注：上表弯矩最大值是除柱脚外；挠度数值为“+”或“-”分别表示加载点位移竖直向上或竖直向下）

根据表2可知：在模型自重相同且构件截面应力比接近的情况下，不难看出优化塔吊模型在各项加载试验中的表现都比比赛塔吊模型好。例如弯矩图，优化模型构件的弯矩值比比赛模型小很多，受力情况更加合理；对比挠度值，优化模型的挠度明显比比赛模型小、结构整体刚度较强，不易发生变形。计算结果足以表明采用优化技术比不采用优化技术的受力情况更佳。

4 结语

SolidThinking-Inspire可以使参赛者在此类赛题中快速合理地确定结构选型，得到较理想的最优结构。使用SAP2000进行构件截面承载能力验算和优化设计，使模型各个构件受力均匀和应力比合理，避免部分构件破坏或浪费，减少做实际模型试验的次数。

参考文献：

[1]雷鸣宇.竹皮材料综合力学性能探究[J].工业技术创新，2016，03（05）：949-952.

[2]北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].2版.北京：人民交通出版社，2012.

[3]Solidthinking-Inspire2015，设计工程师必修教程.