基于ANSYS的门式刚架优化设计

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1、基于ANSYS的门式刚架优化设计周建兵1，汪洋2(1．中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都610081；2．台州职业技术学院土木工程系，浙江台州317000)摘要：门式刚架具有安装快捷、节约费用、扩建灵活、维护费用低和单一供货责任等优点，其用途极为广泛。但是不合理的建筑尺寸往往会导致结构用钢量的增加。以门式刚架结构体系用钢量最少为目标函数，借助ANSYS面向对象程序设计进行优化，得出结构优化次数与结构用钢量、截面尺寸的关系。关键词：门式刚架；优化设计；ANSYS中图分类号：TU318文献标识码：B文章编号：1672-4011(2010)03—0024一030前言在轻型房屋钢结构体系中

2、，门式刚架具有安装快捷、节约费用、扩建灵活、维护费用低和单一供货责任等优点。其用途极为广泛，在非居住性的低层建筑市场上己占主导地位⋯。目前，国内门式刚架设计一般采用试算法，在实际设计中，由于受到工作量、时间的限制，只作少量方案试算，一般难以做出最优方案。利用现有商品化的有限元分析软件扩展其结构优化功能，是实现结构优化设计快速有效的途径。以ANSYS系统为平台，编制相关程序，进行结构优化方面的分析、计算，并与典型算例相比较、分析，使各杆件的承载能力得以充分发挥，以此来达到结构最轻的目的。借助ANSYS面向对象程序设计技术进行优化设计，研究基于功能强大的有限元分析软件ANSYS作结构优化设计

3、的问题：提出有效的设计变量、优化目标函数(以降低结构重量、充分发挥材料性能为目标)，编写APDL优化程序控制文件，在ANSYS程序上实现门式刚架结构优化设计。1结构优化设计的基本概念传统的结构优化设计，实际上指的是结构分析，其过程大致是假设一分析一校核一重新设计。重新设计的目的也是要选择一个合理的方案，但它只属分析的范畴；且只能凭设计者的经验作很少几次重复以通过“校核”为满足。结构优化指的是结构综合，其过程大致可归纳为：假定一分析一搜索一最优设计四个阶段。其中的搜索过程是修改并优化的过程。它首先判断设计方案是否达到最优(包括满足各种给定的条件)，如若不是，则按某种规则进行修改，以求逐步达

4、到预定的最优指标。优化设计的过程如图1所示[21。图1优化过程图轻钢结构设计的最终目的是要给出一个经济合理的设计方案。优化设计方法，能较好地适应这方面的要求。轻钢结构采用优化设计，对于减轻结构重量、降低用钢量和结构造价有着明显的意义。目前国内对轻钢结构的优化设计已进行了一些研究和应用，编制了相应的计算程序，利用计算机实现了对截面的自动优选以求得重量最小、用料最省或造价最低的设计方案。这对于提高轻钢结构的设计质量，加快设计进程都起了一定的作用。2门式刚架结构优化设计在ANSYS程序上的实现在结构的优化设计中，有限元法是一个比较有效的方法。通常，建立模型和模型的修改都是手工完成的。对于结构比

5、较复杂或者需要修改的地方很多的情况下，优化的时间比较长。其中计算时间相对较少，建模和结构修改所占比重较大。如何减少建模和结构修改的时间，是提高结构优化效率的关键。APDL语言是ANSYS软件提供给用户的一个依赖于ANSYS程序的交互式软件开发环境。APDL语言具有类似一般计算机语言的常见功能，如类似于常数定义、变量定义和赋值的参数定义，分支和循环控制语句，类似于子程序调用的宏调用等功能。除此以外，还包含有比较强的数学运算能力，如算术运算、比较、取整和标准FORTRAN的三角函数、指数函数、双曲函数等。利用AP-DL语言还可以读取ANSYS程序数据库中的数据进行数学运算，以及建立分析模型，

6、控制ANSYS程序的运行过程等功能‘21[31。对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的“分析一评估一修正”的循环过程，即对初始结构就设计要求进行评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止HJ。优化过程依次由数据抽象模块、初始化模块、预处理模块、求解模块、后处理模块、优化模块、输出模块组成。利用模块对问题进行层次分解、白顶向开发，为分析提供了便利。数据抽象模块是分析准备阶段，主要工作为结合问题实际目标对象、状态对象、设计对象、实体对象并确定其成员。初识对象中对实体对象成员、设计对象成员进行参数化表示并赋初值。预处理模块是建立实体模型阶段，该模块执行的动作未利

7、用实体对象成员(单元常数、杨氏弹性模量、泊松比、荷载等)生成实体模型并进行单元化分。求解模块调用SOLVE函数进行求解。后处理模块中提取求解所得相应值赋予目标对象、状态对象成员。优化模块第一步位设定设计对象成员、状态对象成员变化范围，接下来指定目标对象成员函数，确定优化方法及最大优化次数等。进而调用OPEXE函数进行优化迭代计算。输出模块按需要列出设计序列，并绘出设计对象、状态对象、目标对象相对于优化次数的变化曲线以及实体对象图形等