一种铝合金网架的拓扑优化方法技术

本发明专利技术公开了一种铝合金网架的拓扑优化方法，使网架结构受力更加均匀，结构的整体拓扑方案更加合理，耗材量和结构性能更加优越。一种铝合金网架的拓扑优化方法：S1、建立铝合金网架有限元模型，包含实体单元、单元属性、材料属性、载荷和边界条件；S2、建立优化模型，对有限元模型进行拓扑优化；S3、根据铝合金网架拓扑优化的结果，设计铝合金网架结构：将上弦杆定义为横竖相交的网格，下弦杆的布置根据拓扑图来进行设计，然后再布置腹杆。S4、根据铝合金网架结构的设计图进行建模计算。

A Topology Optimization Method for Aluminum Alloy Grid

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金网架的拓扑优化方法
本专利技术涉及铝合金网架
，特别是涉及一种铝合金网架的拓扑优化方法。
技术介绍
实际中的铝合金网架结构大多按照传统的钢网架结构形式(如正放四角锥、抽空四角锥、正交正反网架、抽空四角锥、棋盘四角锥等，来进行设计，往往缺乏优化设计而造成材料的浪费，所以对传统网架屋架的优化，特别是采用铝合金材料后的优化则显的十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种铝合金网架的拓扑优化方法，使网架结构受力更加均匀，结构的整体拓扑方案更加合理，耗材量和结构性能更加优越。本专利技术的目的是这样实现的：一种铝合金网架的拓扑优化方法：S1、建立铝合金网架有限元模型，包含实体单元、单元属性、材料属性、载荷和边界条件；S2、建立优化模型，对有限元模型进行拓扑优化；S3、根据铝合金网架拓扑优化的结果，设计铝合金网架结构：将上弦杆定义为横竖相交的网格，下弦杆的布置根据拓扑图来进行设计，然后再布置腹杆。S4、根据铝合金网架结构的设计图进行建模计算。优选地，步骤S1中，建立有限元模型的方法如下：在有限元软件里面建立有限元模型，对应选用SOLID单元，输入铝合金材料的弹性模量、密度、泊松比；荷载为自重+恒载+活载，荷载采用均布加载方式。优选地，步骤S2中，拓扑优化设定包括：定义拓扑优化的设计变量；定义优化的响应；定义约束；定义目标函数。优选地，步骤S2中，定义拓扑优化的设计变量方法为：将设计区域的单元密度设定为优化变量，单元的厚度可以为0；定义优化的响应包括：体积分数、应变能；定义约束方法为：将体积分数设定为0.3；定义目标函数的方法为：将应变能最小设定为目标函数。优选地，步骤S3中，在优化模型加入实体区域，使铝合金网架的优化过程中时刻存在一个连接所有载荷和约束的连续体，优化过程中通过在网格交点施加集中荷载来模拟均匀受力。优选地，步骤S3中，增加杆件让铰接的网架变为几何不变体系。优选地，使铰接的网架变为几何不变体系的杆件布置方式为：使每一根腹杆都最终归属于四角锥体。优选地，铝合金网架拓扑计算工况包括三种支承条件：外缘四点支承、内部四点支承、周边支承；包括三种网架规格：24m×24m×2m、36m×36m×3m、45m×45m×4m。优选地，当网架跨度小于3m时，铝合金网架选用周边支承，当网架跨度大于4m时，铝合金网架选用内部四点支承。一种拓扑优化的外缘四点支承铝合金网架，网架的上弦为方格结构，网架的下弦包括正方形外缘杆网，其余下弦杆集中在下弦的中部以及四角位置，外缘杆网的两对角之间分别形成矩形杆网结构，两矩形杆网结构的交汇处形成正方形杆网结构，两交叉的矩形杆网结构之间形成三角区，网架的腹杆对应下弦设置。网架规格24m×24m×2m，上弦为方格结构，方格数为11×11，所述正方形杆网结构包括外设的外正方形杆网以及内接的内正方形杆网，所述外正方形杆网由两矩形杆网结构交汇形成，所述矩形杆网结构还包括连接于内正方形杆网四角与外缘杆网四角的加强杆。当网架规格为36m×36m×3m时，相对于规格24m×24m×2m时，所述矩形杆网结构、正方形杆网结构、三角区内分别增设十字杆网。由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术根据拓扑图进行铝合金网架设计，提出了优化了的铝合金网架型式，并与传统钢网架结构进行耗材对比。考虑了外缘四点支承、内部四点支承、周边支承三种支承条件，网架规格考虑24m×24m×2m、36m×36m×3m、45m×45m×4m三种情况，进行不同支承条件、不同跨度下系统分析。使网架结构受力更加均匀，结构的整体拓扑方案更加合理，耗材量和结构性能更加优越。附图说明图1为铝合金网架拓扑实体模型图；图2为外缘四点支承示意图；图3为内部四点支承示意图；图4为周边支承示意图；图5a、图5b为外缘四点约束铝合金网架24m×24m×2m模型优化结果图，其中，图5a为优化结果俯视图，图5b为优化结果仰视图；图6a、图6b为外缘四点约束钢网架24m×24m×2m优化模型验证对比图，其中，图6a为文献[1]钢网架在Abaqus优化俯视图，图6b为Hyperworks里钢网架优化俯视图；图7为最小成员尺寸增大后的拓扑图；图8a、图8b、图8c、图8d为外缘四点支承铝合金网架24m×24m×2m拓扑优化设计图，其中，8a为网架整体拓扑图，8b为网架上弦拓扑图，8c为网架下弦拓扑图，8d为网架腹杆拓扑图；图9a、图9b为外缘四点支承铝合金网架36m×36m×3m、48m×48m×4m模型优化结果图，其中，图9a为36m×36m×3m拓扑优化俯视图，图9b为48m×48m×4m拓扑优化俯视图；图10a、图10b、图10c、图10d为外缘四点支承铝合金网架36m×36m×3m拓扑优化图，其中，10a为网架整体拓扑图，10b为网架上弦拓扑图，10c为网架下弦拓扑图，10d为网架腹杆拓扑图；图11a、图11b、图11c、图11d为外缘四点支承铝合金网架48m×48m×4m拓扑优化图，其中，11a为网架整体拓扑图，11b为网架上弦拓扑图，11c为网架下弦拓扑图，11d为网架腹杆拓扑图；图12a、图12b为内部四点约束网架模型优化结果图，其中，图12a为优化结果俯视图，图12b为优化结果仰视图；图13a、图13b、图13c、图13d为内部四点支承铝合金网架36m×36m×3m拓扑优化图，其中，13a为网架整体拓扑图，13b为网架上弦拓扑图，13c为网架下弦拓扑图，13d为网架腹杆拓扑图；图14a、图14b、图14c、图14d为内部四点支承铝合金网架24m×24m×2m拓扑优化图，其中，14a为网架整体拓扑图，14b为网架上弦拓扑图，14c为网架下弦拓扑图，14d为网架腹杆拓扑图；图15a、图15b、图15c、图15d为内部四点支承铝合金网架48m×48m×4m拓扑优化图，其中，15a为网架整体拓扑图，15b为网架上弦拓扑图，15c为网架下弦拓扑图，15d为网架腹杆拓扑图；图16a、图16b为四边支承约束铝合金网架模型优化结果图，其中，图16a为优化结果俯视图，图16b为优化结果仰视图；图17a、图17b、图17c、图17d为四边支承支承铝合金网架24m×24m×2m拓扑优化图，其中，17a为网架整体拓扑图，17b为网架上弦拓扑图，17c为网架下弦拓扑图，17d为网架腹杆拓扑图；图18a、图18b、图18c、图18d为四边支承铝合金网架36m×36m×3m拓扑优化图，其中，18a为网架整体拓扑图，18b为网架上弦拓扑图，18c为网架下弦拓扑图，18d为网架腹杆拓扑图；图19a、图19b、图19c、图19d为四边支承铝合金网架48m×48m×4m拓扑优化图，其中，19a为网架整体拓扑图，19b为网架上弦拓扑图，19c为网架下弦拓扑图，19d为网架腹杆拓扑图；图20为优化后的铝合金网架在不同支承条件、不同跨度下的耗铝量对比图。具体实施方式一种铝合金网架的拓扑优化方法，包括：1基于OptiStruct铝合金网架拓扑模拟计算1.1铝合金网架拓扑计算工况本章主要计算了三种支座条件，周边支承、外缘四点四点支承、内部四点支承，并且分别计算了三种不同跨度下24m×24m×2m、36m×36m×3m、48m×48m×4m的工况。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝合金网架的拓扑优化方法，其特征在于：S1、建立铝合金网架有限元模型，包含实体单元、单元属性、材料属性、载荷和边界条件；S2、建立优化模型，对有限元模型进行拓扑优化；S3、根据铝合金网架拓扑优化的结果，设计铝合金网架结构：将上弦杆定义为横竖相交的网格，下弦杆的布置根据拓扑图来进行设计，然后再布置腹杆。S4、根据铝合金网架结构的设计图进行建模计算。

【技术特征摘要】
1.一种铝合金网架的拓扑优化方法，其特征在于：S1、建立铝合金网架有限元模型，包含实体单元、单元属性、材料属性、载荷和边界条件；S2、建立优化模型，对有限元模型进行拓扑优化；S3、根据铝合金网架拓扑优化的结果，设计铝合金网架结构：将上弦杆定义为横竖相交的网格，下弦杆的布置根据拓扑图来进行设计，然后再布置腹杆。S4、根据铝合金网架结构的设计图进行建模计算。2.根据权利要求1所述的一种铝合金网架的拓扑优化方法，其特征在于，步骤S1中，建立有限元模型的方法如下：在有限元软件里面建立有限元模型，对应选用SOLID单元，输入铝合金材料的弹性模量、密度、泊松比；荷载为自重+恒载+活载，荷载采用均布加载方式。3.根据权利要求1所述的一种铝合金网架的拓扑优化方法，其特征在于，步骤S2中，拓扑优化设定包括：定义拓扑优化的设计变量；定义优化的响应；定义约束；定义目标函数。4.根据权利要求3所述的一种铝合金网架的拓扑优化方法，其特征在于，步骤S2中，定义拓扑优化的设计变量方法为：将设计区域的单元密度设定为优化变量，单元的厚度可以为0；定义优化的响应包括：体积分数、应变能...

【专利技术属性】
技术研发人员：晏致涛，朱朝晖，曹俊阳，翟运琼，黄昨越，王灵芝，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50