結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及其在隧道工程中的應(yīng)用.pdf

1、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,實際上指的是結(jié)構(gòu)分析,其過程大致為假設(shè)-分析-校核-重新設(shè)計。設(shè)計者根據(jù)設(shè)計要求和實踐經(jīng)驗通過判斷去創(chuàng)造設(shè)計方案,然后進行強度、剛度、穩(wěn)定性等方面的計算校核,若不滿足則重新設(shè)計,雖然目的也是要選擇一個合理的方案,但它仍然只屬分析的范疇,且只能憑設(shè)計者的經(jīng)驗作很少幾次重復(fù)以通過“校核”為滿足。結(jié)構(gòu)優(yōu)化指的是結(jié)構(gòu)綜合,其過程大致可歸納為:假定-分析-搜索-最優(yōu)設(shè)計四個階段。其中的搜索過程是修改并優(yōu)化的過程。它首先判斷設(shè)計方案

2、是否達到最優(yōu)(包括滿足各種給定的條件),如若不是,則按某種規(guī)則進行修改,以求逐步達到預(yù)定的最優(yōu)指標。由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計能夠帶來巨大的經(jīng)濟效益,隨著不斷更新的設(shè)計技術(shù)和日益加劇的產(chǎn)品競爭,這一領(lǐng)域的研宄受到了越來越多的重視。
　　本文分為三個層次對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論及方法進行了研宄:分別為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。對尺寸優(yōu)化設(shè)計的準則法及數(shù)學(xué)規(guī)劃法進行了深入的研宄和對比,探討了兩種優(yōu)化理論的基本概念與基本方法,闡明了幾種方法的計算過程

3、及其優(yōu)缺點分析。對形狀優(yōu)化的常用的幾種優(yōu)化理論進行了介紹,對拓撲優(yōu)化中的均勻化理論進行了分析介紹,并且應(yīng)用有限元軟件給出了基于變密度法的算例。
　　并以某隧道襯砌結(jié)構(gòu)為模型,運用ANSYS有限元軟件對其進行尺寸優(yōu)化及拓撲優(yōu)化的設(shè)計。通過尺寸優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)彎矩、軸力以及變形的對比分析,表明了尺寸優(yōu)化設(shè)計可以在保證結(jié)構(gòu)安全適用的前提下減少結(jié)構(gòu)的體積,并且均勻化了結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),可以使得內(nèi)力分布更加合理,提高了材料的利用率。從而降低了工程

4、造價,取得良好的經(jīng)濟效益,對實際工程有著重要的意義。而拓撲優(yōu)化設(shè)計則是對材料進行了重新分配,以尋求在給定的邊界條件和外荷載的情況下結(jié)構(gòu)的最佳傳力路徑。在省去不同比例材料情況下,對隧道襯砌結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化設(shè)計,通過對比幾種情況的拓撲優(yōu)化結(jié)果,以及隧道襯砌設(shè)計的概念圖,對實際工程在理論上有著指導(dǎo)性的意義。最后對隧道洞室的斷面形狀進行優(yōu)化,得出在不同側(cè)壓比情況下不同的隧道斷面形狀,不但對實際工程有著參考性意義,也為以后更好地對隧道結(jié)構(gòu)進行研宄