基于有限元-分析的自升式平台桁架腿选型优化设计

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1、天津大学硕士学位论文第一章绪论秆(b)横断面图图1．1(c)弦杆与齿条典型桁架式桩腿齿条桁架式桩腿型式有很多种，主要差别在于腹杆支撑型式的不同。常见的腹杆型式主要有三种：第一种是K型，如图1．2(a)所示。这种型式比较传统，应用广泛，Friede&Goldman公司设计的SuperM2系列自升式平台即采用此种型式。第二种是x型，如图1．2(b)所示。这种型式结构简单，只设x型斜腹杆和水平内撑，而没有水平腹杆。GustoMSC公司设计的MSCCJ．70系列平台即采用X型腹杆。第三种是inv-K型，如图‘1．2(c)所示。它采用两个K型对接的型式，减少了水平腹杆的设置。Fri

2、ede&Goldman公司设计的JU2000E新型平台即采用此种型式。／＼＼／／＼＼／(a)K型(b)X型(c)inv．K型图1．2三种常见腹杆型式示意图1．1．2桁架腿选型优化设计结构优化是指在保证结构刚度强度等满足规范要求的前提下，通过改变某些设计变量，使结构的重量最轻。与传统的设计方法相比，结构优化设计是在一定准则下的计算机辅助自动设2天津大学硕士学位论文第一章绪论计过程。对于采用传统设计方法能够完成的设计，采用优化设计方法可以更快地得到满足要求的优化设计方案，大大节省人力资源，缩短设计周期，提高结构设计水平和设计质量。在探索结构新的设计思想、方法和理念上，优化设计

3、方法具有独到的优势，通过优化设计过程，可以得到一些新型的结构型式及形状拓扑。自升式平台工作水深变化较大，桩腿结构柔性较大，在波浪等环境载荷的作用下会产生较大位移、应力响应。对现有平台结构分析表明，桁架腿结构的拓扑形式、结构形状和构件尺寸设计对结构的强度、刚度等特性有重要影响。在设计中要尽可能的选择理想的结构型式，获得最大的经济效益。传统的设计方法在很大程度上依赖于设计人员的经验，设计结果往往冗余过大，造成资源浪费。在有限元分析基础上，应用优化设计理论和方法，能够有效的对桁架腿结构的尺寸、形状、拓扑布局进行优化设计，选择出最优的结构型式。其中，选型优化主要依靠结构的拓扑和形

4、状优化设计，在结构选型的概念设计阶段得到性能更优的设计方案，使力在构件之间的传递更合理，结构冗余降低，充分发挥整体结构的潜力，降低制造成本。1．2结构优化设计发展概述结构优化是从20世纪60年代开始随着计算机技术和有限元方法迅速发展起来的一个力学分支。研究如何为工程师提供可靠高效的方法以改进结构的设计，有很强的应用背景。结构优化是对结构设计的优化，它根据使用和规范的要求、工艺和旌工的条件、按照力学的定理建立起数学模型，借助优化的理论和方法求出最轻设计方案。有限元理论在结构分析上的应用使力学真正可以付诸工程实际，它是结构优化设计的基础之一。无论结构在外载荷下的力学响应量，还

5、是对设计量的导数都是结构优化必不可少的信息。结构优化的另一个基础是数学，首先是经典的微积分和变分方法，其次是现代规划论，最后是各种数值计算方法。结构优化包括尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次。其级别依次升高，收益依次增加，难度也依次增大。1．2．1结构尺寸优化设计结构的尺寸优化是将结构构件的截面尺寸作为优化变量，通过改变截面尺寸，使结构在满足要求的情况下达到重量最轻的优化过程。结构优化设计思想的出现可追溯到1854年J．C．Maxwell提出的基本原理和1904年A．GMichell发展和应用的布局理论(Michell桁架)。20世纪50年代以前，3天津大学硕士学位论文

6、第一章绪论用于解决最优化问题的数学方法仅限于经典微分法和变分法，称为经典优化方法。1960年，Schmit首次构造了弹性结构优化设计的数学模型，同时考虑应力、位移、频率等约束和多工况情形，利用非线性数学规划方法进行求解，开创了数学规划法的先河。此后人们相继将线性规划方法、梯度投影方法、可行方向法以及罚函数法等各种方法引入结构设计优化中来。由于工程实际中的因素复杂，设计变量的个数、约束条件的数目、算法的迭代次数都非常大。这种直接采用数学规划方法【24】而不考虑力学特性的算法效率都不高，人们也在不断寻找新的更有效的解决优化问题的方法。’1969年，Venkayya和Gella

7、tly等人根据结构的力学特性提出了满应力法、应变比能法等最优准则法【5习】。按照预先规定的最优性准则来选择设计变量的迭代模式，加快了收敛速度。虽然这样的方法从理论上讲不甚严密，但程序易于实现，且计算量小。70年代后，人们发现各种最优准则均可由数学规划方法的Kuhn．Tucker条件导出，两类方法的有机结创10】无疑促进了结构优化的进一步发展。1979年，Fleury第一次将对偶理论引入到结构优化问题的求解，利用可分离的对偶规划进行求解，也取得了与最优准则法相近的计算结果【ll】。1980年，他又和Schmit利用虚载荷方法将某