厚板转换层的拓扑优化及选型研究

论文摘要

厚板转换层结构转换能力强,特别适用于体型复杂、功能繁多的结构,但由于转换板的重量很大,不仅增大了对下部垂直构件的强度设计要求,也使得整个结构振动性能极为复杂,容易发生震害。本文以大型通用软件ANSYS为平台,以其自带语言APDL为二次开发工具,运用渐进结构优化方法对厚板转换层进行拓扑优化,以减轻转换层重量,提高结构的整体抗震性能。根据优化结果提出两种新型转换板,并对其受力性能和和经济效益进行分析研究。本文主要研究内容如下：(1)根据不同的研究目的,编制相应的计算和优化命令流,除ANSYS中的常规功能外,还用到子模型技术、单元生死、宏文件等高级技术。(2)对某一工程算例进行静力优化,探讨了渐进结构优化方法应用在混凝土等各向异性材料中时应力准则的选取,提出了用修正巴兰金理论衡量单元的应力水平,指导优化的进行。针对实际工程有限元计算中单元类型繁杂,节点位移计算量大的问题,提出了一种采用单元应变能和特定方向的单元位移来表示单元位移灵敏度的方法,这一方法在通用有限元软件中使用特别方便。最后由静力优化结果得出本文算例中转换厚板的传力路径。(3)提出结构动力优化的两类优化目标：频率优化使得结构固有频率远离激振力频率,从而避免共振；动荷载作用下的结构优化保证优化所得的结构在动荷载作用下的内力和位移在允许范围之内。对本文算例,分别选取两个主轴方向的一阶横向弯曲和一阶扭转所对应频率,对厚板转换层进行频率优化,通过改变厚板拓扑使得整体结构的低阶频率避开场地卓越频率。推导了采用振型分解反应谱法计算地震作用时的单元灵敏度公式,当采用不同方法估计体系最大反应时,灵敏度公式也有所不同,这一方法适用于自编程的工程拓扑优化。提出了直接采用振型组合后得到的内力结果计算动灵敏度,这一方法适用于可以用振型分解反应谱法计算地震作用的通用有限元软件。对本文算例进行地震作用下动力优化,得出厚板承力和传力途径。(4)提出两种新型转换板结构,局部减薄不均匀转换板和钢—混凝土组合空腹转换板,并对原转换板和两种新型转换板进行静力分析比较,重点比较转换厚板和下部竖向构件的受力。对局部减薄不均匀厚板,根据挖块的不同大小和位置设计了16种减薄方案,并对各种方案结果进行分析比较,研究不同位置不同大小的挖块对转换板下部竖向构件以及厚板本身受力的影响。对钢—混凝土组合空腹转换板,特别分析了组合板中钢骨架和剪力键的内力情况,对实际工程中剪力键的处理提出建议。(5)对原结构和带两种新型转换板的高层结构进行模态分析比较,重点比较前30阶振型的规律。对三种结构分别采用振型分解反应谱法和弹性时程分析法计算地震作用效应,时程分析结果取最大值的包络。对带不同形式转换板的高层结构,分别比较每一个结构两主轴方向的反应谱分析结果和时程分析结果,探讨两种分析方法的结果差异。对比三个结构的反应谱分析结果和时程分析结果,探讨带新型转换板高层结构的受力变化。(6)定性的对三种转换板进行直接和间接经济效益的比较。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 转换层概述
• 1.1.1 转换层概念及应用
• 1.1.2 转换层功能及形式
• 1.2 厚板转换层的应用及研究成果
• 1.3 拓扑优化研究综述
• 1.4 局部减薄板及钢—混凝土组合板研究综述
• 1.5 本文的研究意义
• 1.6 本文研究内容
• 第2章 厚板转换层的静力优化
• 2.1 引言
• 2.2 基于ESO静力优化的理论基础
• 2.2.1 拓扑优化的数学模型
• 2.2.2 不同准则优化方法介绍
• 2.3 优化准则的改进
• 2.3.1 应力准则的改进
• 2.3.2 位移准则的改进
• 2.4 厚板转换层的静力优化
• 2.4.1 工程算例概况
• 2.4.2 基于应力的拓扑优化结果
• 2.4.3 基于位移的拓扑优化结果
• 2.4.4 应力和位移约束共同控制的拓扑优化
• 2.5 厚板的传力路径
• 2.6 本章小结
• 第3章 厚板转换层的动力优化
• 3.1 引言
• 3.2 基于频率的拓扑优化
• 3.2.1 频率优化的数学模型
• 3.2.2 频率优化灵敏度推导
• 3.2.3 厚板转换层的频率优化
• 3.2.4 频率优化结果分析
• 3.3 基于地震作用的拓扑优化
• 3.3.1 地震作用的计算方式
• 3.3.2 基于振型分解反应谱法的厚板优化
• 3.3.3 算例的动力优化结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 转换板选型研究
• 4.1 引言
• 4.2 原转换厚板分析
• 4.2.1 整体结构受力分析
• 4.2.2 转换厚板受力分析
• 4.2.3 下部竖向构件受力分析
• 4.3 局部减薄不均匀转换板
• 4.3.1 局部减薄不均匀转换板的提出
• 4.3.2 局部减薄不均匀转换板静力分析
• 4.3.3 结论
• 4.4 钢—混凝土组合空腹转换板
• 4.4.1 钢—混凝土组合转换板的提出
• 4.4.2 钢—混凝土组合空腹转换板静力分析
• 4.4.3 结论
• 4.5 本章小结
• 第5章 带不同转换板高层结构的抗震能力比较
• 5.1 引言
• 5.2 带原转换板高层结构的抗震能力分析
• 5.2.1 反应谱分析
• 5.2.2 时程分析
• 5.2.3 两种计算方法结果对比
• 5.3 带局部减薄不均匀转换板高层结构的抗震能力分析
• 5.3.1 模态分析
• 5.3.2 反应谱分析
• 5.3.3 弹性时程分析
• 5.3.4 两种计算方法结果对比
• 5.4 带钢—混凝土组合空腹转换板高层结构的抗震能力分析
• 5.4.1 模态分析
• 5.4.2 反应谱分析
• 5.4.3 弹性时程分析
• 5.4.4 两种计算方法结果对比
• 5.5 带不同转换板高层结构的抗震能力分析比较
• 5.5.1 反应谱分析结果比较
• 5.5.2 弹性时程分析结果比较
• 5.5.3 比较结论
• 5.6 本章小结
• 第6章 几种转换板综合经济效益比较
• 6.1 直接经济效益比较
• 6.2 间接经济效益分析
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目