一种基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法，属于工程技术领域，其通过针对钢管混凝土轨枕的连接件和轨枕块分别设置拓扑优化步骤，基于APDL语言并采用结构拓扑优化的方法，完成了钢管混凝土连接件以及混凝土轨枕块的优化，实现了优化后钢管混凝土轨枕结构模型的快速获取。本发明专利技术的基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法，其设计过程简单，能够对钢管混凝土轨枕结构进行优化设计，使得轨枕结构中钢管混凝土连接件和混凝土轨枕块的质量分布更加合理、参数设计更加准确，提升了钢管混凝土轨枕结构的抗变形、抗破坏能力，减少了钢管混凝土轨枕结构的材料用量，节约了成本，提高了经济效益，具有较好的实用价值和应用前景。好的实用价值和应用前景。好的实用价值和应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法


[0001]本专利技术属于工程
，具体涉及一种基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法。

技术介绍

[0002]钢管混凝土轨枕是一种采用钢管混凝土构件连接两边的混凝土轨枕块的新型轨枕，其具有良好的几何位形保持能力，能够有效保证轨枕结构的整体强度、刚度以及稳定性，因而在轨道交通领域中得到了日益广泛的应用。
[0003]通常情况下，钢管混凝土轨枕包括两根并排布置的钢管和分别连接在钢管端部的混凝土轨枕块，钢管的两端分别嵌入混凝土轨枕块中，并在钢管内灌注有混凝土，形成整体受力的轨枕结构。在钢管混凝土轨枕的实际设计及应用过程中，研究人员发现，钢管混凝土连接构件以及混凝土轨枕块的结构差异和质量分布差异对整个轨枕的力学性能有较大的影响，且现有的钢管混凝土轨枕在提高使用过程中的各项性能、减轻结构自重等方面还有很多的优化的空间，其结构设计优势尚未被充分地利用和体现，钢管混凝土轨枕的实用性和经济性还有待进一步提升，这也对钢管混凝土的施工与设计提出了更高地要求。

技术实现思路

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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立钢管混凝土连接件的初始有限元模型，对模型进行静力计算，并对模型计算结果进行校核；S2:、通过ANSYS的APDL语言将基于人工密度法的连续结构拓扑优化方法写入ANSYS优化迭代计算程序；S3、建立钢管混凝土连接件模型，对其进行网格划分，并定义模型中的优化区域，确定拓扑优选设计变量、优化目标和优化约束条件；S4、利用ANSYS优化迭代计算程序进行优化计算；若计算不收敛，根据计算结果更新设计变量，直到计算收敛，得到最终的钢管混凝土连接件的优化模型；S5、根据钢管混凝土连接件尺寸的优化计算结果，建立完整的钢管混凝土轨枕三维模型；S6、将钢管混凝土轨枕三维模型导入有限元计算软件，进行网格划分，设置边界条件并施加对应的荷载工况，在此基础上进行有限元静力计算，并对计算结果进行校核；S7、定义混凝土轨枕块的拓扑优化设计变量、优化目标和优化约束条件；S8、利用ANSYS优化迭代计算程序进行优化计算；若计算不收敛，根据计算结果将设计变量进行更新，重新进行S5中的过程，直到计算收敛，得到最终的优化模型；S9、根据优化后得到的混凝土轨枕块拓扑结构对钢管混凝土轨枕进行重新设计，通过三维软件得到最优的钢管混凝土轨枕结构三维模型。2.根据权利要求1所述的基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法，其特征在于，在S2中，APDL实现的算法包括如下过程：(1)确定优化区域后，建立材料的相对密度场，并以材料的相对密度作为设计变量；(2)写入SIMP材料差值模型，建立材料相对密度场和材料性能之间的关系，SIMP材料差值模型描述如下：Fin:ρ＝(ρ1，ρ2，
…
，ρ
i
)
T
∈R
n
，i＝1，2，
…
，NMinimize：Subject toF＝KU0≤ρ
e
≤1式中，ρ为密度设计变量；ρ
e
为单元密度设计变量；C为结构总体柔度；U为位移矩阵；K为总刚矩阵；u
e
为单元位移矩阵；k0为单...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙立，张子龙，张鹏，朱彬，张政，尹银艳，张超永，张泽，李启航，任西冲，叶松，刘杰，廉紫阳，雷鸣，段晓晖，
申请(专利权)人：中铁第四勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：