一种考虑风荷载的铝合金屋架优化方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑风荷载的铝合金屋架优化方法，在优化过程中增加了对风荷载改变的迭代求解，使得铝合金屋架的外形优化的同时，风荷载也得到了优化。这样，优化后的铝合金屋架能够得到真正最优化的结构型式和重量。方法包括以下步骤：S1、选取铝合金桁架的优化变量；S2、设定铝合金桁架的约束条件；S3、选取铝合金桁架的结构耗材作为目标函数；S4、选取优化算法；S5、将屋面活荷载与风荷载进行组合并作为桁架的活荷载，再对铝合金桁架进行优化。

An Optimal Method of Aluminum Alloy Roof Truss Considering Wind Load

【技术实现步骤摘要】
一种考虑风荷载的铝合金屋架优化方法
本专利技术涉及铝合金屋架
，特别是涉及一种考虑风荷载的铝合金屋架优化方法。
技术介绍
传统的屋架一般都采用钢结构，由于铝结构有自重轻、防腐性、能完全回收等优异的特点，铝合金屋架也将逐渐推广。关于屋架尺寸优化方面，现有的屋架优化方法，一般是在荷载不变的情况下考虑尺寸优化。而实际上，屋架的外形改变会导致风荷载体型系数的改变，需要风荷载和外形协同变化。试验研究方面：对于铝合金屋架来说，一是试验数量匮乏，无论是铝合金屋架的整体模型试验还是铝合金屋架构件连接的节点试验均没有足够的试验数据来形成系统的成果；二是试验模型不够先进，早年进行的屋架试验研究的节点与当前优化出来的新的节点形式有较大差异，所以早年模型试验对现在指导意义不大；三是之前铝合金节点试验主要只关注其承载力方面，但是针对可能对铝合金结构稳定有重大影响作用的节点刚度研究匮乏。理论研究方面：一是由于缺乏足够的试验支持，相当数量的数值模拟结果难以得到验证；二是在对节点精细化模型进行计算分析中为了计算方便所设定的部分假定的合理性、正确性有待研究；三是在对结构整体模型进行分析中，对小构件以及次要构件如节点刚度和构件初始缺陷的会带来的影响考虑不足。设计方面：一是对于铝合金结构节点的设计时，进行抗风抗震验算时通常将构件简单假定为刚接，而没有考虑铝合金节点连接形式实际上的耗能能力。同时也缺乏对铝合金节点受不同力下更好发挥其性能的优化。同时对于铝合金结构节点的研究还大部分针对现有H形截面板式节点的力学性能，缺乏对可应用于更具建筑表现力的其它铝合金节点形式截面的研究。事实上，铝合金节点形式的单一是国内外铝合金屋架结构体系设计工作中遇到的主要瓶颈，限制了铝合金屋架的推广应用。由此可见，要想实现铝合金屋架体系的广泛应用，需要设计符合铝合金材料特性的、能够保证结构既安全又可靠的、可实现低成本加工制造的新型铝合金屋架节点体系。应用方面：由于现有技术的原因，铝合金结构的推广应用远远还不够。尤其是在对铝合金材料循环再生利用、构件成模化、生态性新型铝合金建筑部件设计使用等方面还存在较大的技术缺陷。
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，提供一种考虑风荷载的铝合金屋架优化方法，在优化过程中增加了对风荷载改变的迭代求解，使得铝合金屋架的外形优化的同时，风荷载也得到了优化。这样，优化后的铝合金屋架能够得到真正最优化的结构型式和重量。本专利技术的目的是这样实现的：一种考虑风荷载的铝合金屋架优化方法，方法包括以下步骤：S1、选取铝合金桁架的优化变量；S2、设定铝合金桁架的约束条件；S3、选取铝合金桁架的结构耗材作为目标函数；S4、选取优化算法；S5、将屋面活荷载与风荷载进行组合并作为桁架的活荷载，再对铝合金桁架进行优化。优选地，S1中，铝合金桁架的优化变量，包括作为自变量的设计变量、形状变量，以及作为因变量的状态变量，所述设计变量包括：第i根圆管的外径Di，第i根圆管的壁厚ri；所述形状变量，分三种情况：对于矩形桁架，形状变量包括竖杆高度H1和跨中高度H2；对于三角形桁架，形状变量包括跨中跨度H；对于梯形桁架，形状变量包括端部高度H1、跨中高度H2；所述状态变量包括圆管的截面面积以及桁架结构的应力、位移；S3中，目标函数公式为：式中，W为铝合金桁架的总重量，Lj、Aj分别为第j根杆铝合金圆管的长度、截面面积，ρ为铝合金材料的密度，n为铝合金桁架圆管数量。优选地，S2中，铝合金桁架的约束条件包括：应力约束条件：式中：Aj为桁架的第j根杆件的截面面积；Nj为桁架的第j根杆件的轴心拉力或轴心压力，σj为桁架对应截面的拉应力或者压应力；f为铝合金材料的强度设计值；受压圆管局部稳定：式中，Di为第为第i根圆管的外径，ri为第i根圆管的壁厚；受压圆管整体稳定：式中，为第j根圆管的轴压稳定系数；位移约束：限制跨中位移：ui≤l/250(9)式中，ui为桁架跨中位移，l为桁架跨度。优选地，轴压稳定系数的计算方法为：拟合出的铝合金轴压柱子曲线，在不同失稳条件下采用不同的长细比计算公式，弯曲失稳时采用弯曲长细比λy，λy为弯曲失稳试件绕弯曲轴的长细比，此时弯扭失稳时对应着弯扭等效长细比λyw，λyw为弯扭失稳时对应着构件的等效弯扭长细比，采用经典弹性理论来计算得到，这时带入Perry计算轴压稳定系数：式中，ε0为初始偏心率；λ为正则化长细比；f0.2为试件的规定非比例极限；E为试件的非弹性模量。优选地，S4中，选取ANSYS一阶分析方法来进行铝合金桁架形状优化与尺寸优化的求解：对于迭代步j，确定一个搜索方向迭代计算后的设计变量为：式中，tj为每次迭代的线搜索参数，数值上为搜索方向上的最小步进值，线搜索参数利用了黄金分割比和局部的平方拟合数值方法来得到，线搜索参数tj的搜索范围为：0≤tj≤tmax/100×tj*(12)式中，tj*代表最大可用步进量，由程序在当前迭代步中得到，tmax是设置的步进缩放尺寸；搜索方向根据共轭梯度法或者最大斜度法得到；在初始迭代(j＝0)时，先假设无约束目标函数的负梯度方向为搜索方向，即：p(0)＝-▽Q(x(0),l)＝p(0)f+p(0)m(13)式中，l＝1，p(0)f＝-▽Qf(x(0))，p(0)m＝-▽Qm(x(0))，l为罚因子，Q为无约束目标函数；对于其他任一步(j>0)，Polak-Ribiere建立的递归公式得到的收敛方向为：p(j)＝-▽Q(x(j),l)+rj-1p(j-1)(14)其中当每次迭代结束后对优化结果的判断依据容差赖进行判断；当容差满足条件时，则优化迭代计算则终止；收敛准则要求|w(j)-w(j-1)|≤τ(16)式中，τ为收敛容差。优选地，S5中，风荷载计算式：wk＝βzμsμzw0(17)式中：wk为风荷载标准值；βz为高度z处的风振系数；μs为体型系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压。优选地，体型系数的获得方式为：根据风荷载体型系数查询图表中坡度与体型系数的关系，通过函数拟合得出任意坡度下的屋架风荷载体型系数；在优化过程中，当结构体型发生变化时，求出对应的坡度系数，根据拟合函数，求出对应的风荷载体型系数。由于采用了上述技术方案，本专利技术在优化过程中增加了对风荷载改变的迭代求解，使得铝合金屋架的外形优化的同时，风荷载也得到了优化。这样，优化后的铝合金屋架能够得到真正最优化的结构型式和重量。以矩形桁架跨度为36m时为例，考虑风荷载随外形变化与否不仅在外形上有较大影响，而且耗铝量与考虑风荷载变化时增加了15.6％，所以考虑风荷载变化能够得到最优的桁架型式。附图说明图1a为矩形桁架优化变量示意图；图1b为三角形桁架优化变量示意图；图1c为梯形桁架优化变量示意图；图2为风荷载在桁架优化迭代中变化示意图；图3为封闭式双坡屋面体型示意图；图4a为矩形桁架在跨度为18m情况下的一阶算法结果示意图；图4b为矩形桁架在跨度为18m情况下的零阶算法结果示意图；图5为矩形、三角形、梯形桁架优化结果中的耗铝量进行对比示意图；图6为常见桁架形式在不同跨度下风荷载最优坡度对比示意图。具体实施方式一种考虑风荷载的铝合金屋架优化方法，包括：1铝合金桁架的优化变量的选取设计变量(DV)即为优化设计中的自变量，最本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑风荷载的铝合金屋架优化方法，其特征在于，方法包括以下步骤：S1、选取铝合金桁架的优化变量；S2、设定铝合金桁架的约束条件；S3、选取铝合金桁架的结构耗材作为目标函数；S4、选取优化算法；S5、将屋面活荷载与风荷载进行组合并作为桁架的活荷载，再对铝合金桁架进行优化。

【技术特征摘要】
1.一种考虑风荷载的铝合金屋架优化方法，其特征在于，方法包括以下步骤：S1、选取铝合金桁架的优化变量；S2、设定铝合金桁架的约束条件；S3、选取铝合金桁架的结构耗材作为目标函数；S4、选取优化算法；S5、将屋面活荷载与风荷载进行组合并作为桁架的活荷载，再对铝合金桁架进行优化。2.根据权利要求1所述的一种考虑风荷载的铝合金屋架优化方法，其特征在于，S1中，铝合金桁架的优化变量，包括作为自变量的设计变量、形状变量，以及作为因变量的状态变量，所述设计变量包括：第i根圆管的外径Di，第i根圆管的壁厚ri；所述形状变量，分三种情况：对于矩形桁架，形状变量包括竖杆高度H1和跨中高度H2；对于三角形桁架，形状变量包括跨中跨度H；对于梯形桁架，形状变量包括端部高度H1、跨中高度H2；所述状态变量包括圆管的截面面积以及桁架结构的应力、位移；S3中，目标函数公式为：式中，W为铝合金桁架的总重量，Lj、Aj分别为第j根杆铝合金圆管的长度、截面面积，ρ为铝合金材料的密度，n为铝合金桁架圆管数量。3.根据权利要求2所述的一种考虑风荷载的铝合金屋架优化方法，其特征在于，S2中，铝合金桁架的约束条件包括：应力约束条件：式中：Aj为桁架的第j根杆件的截面面积；Nj为桁架的第j根杆件的轴心拉力或轴心压力，σj为桁架对应截面的拉应力或者压应力；f为铝合金材料的强度设计值；受压圆管局部稳定：式中，Di为第为第i根圆管的外径，ri为第i根圆管的壁厚；受压圆管整体稳定：式中，为第j根圆管的轴压稳定系数；位移约束：限制跨中位移：ui≤l/250(9)式中，ui为桁架跨中位移，l为桁架跨度。4.根据权利要求3所述的一种考虑风荷载的铝合金屋架优化方法，其特征在于，轴压稳定系数的计算方法为：拟合出的铝合金轴压柱子曲线，在不同失稳条件下采用不同的长细比计算公式，弯曲失稳时采用弯曲长细比λy，λy为弯曲失稳试件绕弯曲轴的长细比，此时弯扭失稳时对应着弯扭等效长细比λyw，λyw为弯扭失稳时对应着构件的等效弯扭长细比，采用经典弹性理论来计算得到，...

【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