一种格构式结构混合优化设计方法

1.本发明涉及建筑结构技术领域，具体为一种格构式结构混合优化设计方法。


背景技术：

2.格构式的结构在结构设计中很常见，从有限元的角度来说，主要是指仅有线单元构成的结构体系。例如输电塔、钢桁架、钢框架等，都属于格构式结构。格构式结构的设计方案(主要是节点位置、杆件的连接方式以及构件横截面尺寸)对于其受力性能有很大的影响。设计所追求的通常是在固定的材料用量的条件下，让结构的抗外力性能最强(通常以柔顺度最小来表达)，或者在满足设计要求的前提下，使结构的材料用量最少。
3.目前对对于格构式结构的优化设计多采用离散拓扑优化的方法，其计算过程繁琐且耗时较长，效率低下，存在一定的局限性。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供一种格构式结构混合优化设计方法，具备优化效率高等优点，以解决尺寸优化过程繁琐，且耗时较长，效率低下的问题。
6.(二)技术方案
7.为实现上述优化效率高的目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种格构式结构混合优化设计方法，包括以下步骤：
9.s1、拓扑优化
10.把优化空间的材料离散成有限个单元(壳单元或者体单元)，可以以结构件外形或者孔洞形状为优化对象，来进行拓扑优化，通过连续体拓扑优化得到结构的基本构型，保留下来的单元即构成最终的拓扑方案，从而实现拓扑优化。
11.s2、骨架和节点提取
12.根据前一步拓扑优化的结果来提取结构骨架和节点信息，骨架是连续体拓扑优化所得到的实体单元进行缩聚所得到的构件几何特征，而节点是构件之间的连接点。构件之间的节点连接方式一般有铰结和固结两种。
13.s3、杆件识别
14.在s2识别得到节点的基础上，在这一步判断哪些节点之间有直杆相连。如果判断某两个节点之间存在直杆相连，则认为这两个节点之间存在构件相连，否则则认为这两个节点没有构件相连。对s2步所有的节点任选2个节点进行遍历判断，即可识别出所有的杆件。
15.s4、构件尺寸优化
16.对直杆所组成的格构式结构进行构件截面尺寸优化。此步骤以结构各个构件的界面尺寸为设计变量(如构件横截面为矩形，则设计变量为矩形的高和宽)，以结构所用材料总重量最轻为目标函数，以结构设计所要求的位移限值等为约束条件，进行尺寸优化设计。
17.对直杆所组成的格构式结构进行构件截面尺寸优化，将一个完整优化分析中会涉及的两种优化，集成到一次优化任务中实现，利用拓扑优化得到初始的构形，随后利用形状优化精细化处理局部区域。
18.优选的，所述在s2、步骤中,应采取相同长度的竖向杆件(柱)和横向杆件 (梁)，并交错放置在相应的空间内部。
19.优选的，所述在s2、步骤中,骨架和节点的连接方式可分为：排架，由固结于基础的柱子同横向屋架梁铰结而成的门架，双铰门架，两根柱子上部同梁固结成整体，下部同基础铰结的门架。
20.优选的，所述在s3、步骤中，建筑节点详图就是把房屋构造的局部要体现清楚的细节用较大比例绘制出来，以此来表达出构造做法，尺寸，构配件相互关系和建筑材料。
21.优选的，所述在s4、步骤中，将该杆系结构的节点坐标和杆件连接信息记录下来，进一步可进行构件尺寸优化。
22.(三)有益效果
23.与现有技术相比，本发明提供的一种格构式结构混合优化设计方法，具备以下有益效果：
24.1、该格构式结构混合优化设计方法，通过选取实体结构，结构左端为固定端约束，结构上端边缘等距作用2个集中荷载，将结构的上、下、右侧的最外层单元层视为不参与优化的固定域，其他内部单元视为拓扑优化的设计域，这样处理的目的是保证结构四周外框在优化过程中始终存在，再通过将斜支撑拓扑布局和具体的构件截面尺寸两个维度进行优化，保证了后续对实体结构的持续优化。
25.2、该格构式结构混合优化设计方法，首先进行连续体拓扑优化以获得较优的拓扑构型，然后提取该拓扑构型骨架并识别节点，进一步通过计算机图形学的方法来得到杆系结构，最后通过调整杆系结构构件的横截面尺寸进行尺寸优化，这种方法融合了连续体拓扑优化和尺寸优化的优点，上述的混合优化过程从两个维度，也就是斜支撑拓扑布局和具体的构件截面尺寸两个维度进行了优化，整个过程的耗时只有数分钟，效率非常高。
附图说明
26.图1为本发明实施例支撑系统优化变化过程种类一示意图。
27.图2为本发明实施例支撑系统优化变化过程种类二示意图。
28.图3为本发明实施例支撑系统优化变化过程种类三示意图。
29.图4为本发明实施例支撑系统优化变化过程种类四示意图。
30.图5为本发明实施例支撑系统优化变化过程种类五示意图。
31.图6为本发明实施例支撑系统优化变化过程种类六示意图。
32.图7为本发明实施例支撑尺寸优化变化过程种类一示意图。
33.图8为本发明实施例支撑尺寸优化变化过程种类二示意图。
34.图9为本发明实施例支撑体系优化设计域的示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例
37.参见附图1-9，本发明提供的格构式结构混合优化设计方法，包括以下步骤：
38.s1、拓扑优化
39.把优化空间的材料离散成有限个单元(壳单元或者体单元)，可以以结构件外形或者孔洞形状为优化对象，来进行拓扑优化，通过连续体拓扑优化得到结构的基本构型，保留下来的单元即构成最终的拓扑方案，从而实现拓扑优化。
40.s2、骨架和节点提取
41.根据前一步拓扑优化的结果来提取结构骨架和节点信息，骨架是连续体拓扑优化所得到的实体单元进行缩聚所得到的构件几何特征，而节点是构件之间的连接点。构件之间的节点连接方式一般有铰结和固结两种。
42.s3、杆件识别
43.在s2识别得到节点的基础上，在这一步判断哪些节点之间有直杆相连。如果判断某两个节点之间存在直杆相连，则认为这两个节点之间存在构件相连，否则则认为这两个节点没有构件相连。对s2步所有的节点任选2个节点进行遍历判断，即可识别出所有的杆件。
44.s4、构件尺寸优化
45.对直杆所组成的格构式结构进行构件截面尺寸优化。此步骤以结构各个构件的界面尺寸为设计变量(如构件横截面为矩形，则设计变量为矩形的高和宽)，以结构所用材料总重量最轻为目标函数，以结构设计所要求的位移限值等为约束条件，进行尺寸优化设计。
46.在s2、步骤中,应采取相同长度的竖向杆件(柱)和横向杆件(梁)，并交错放置在相应的空间内部，在s2、步骤中,骨架和节点的连接方式可分为：排架，由固结于基础的柱子同横向屋架梁铰结而成的门架，双铰门架，两根柱子上部同梁固结成整体，下部同基础铰结的门架，在s3、步骤中，建筑节点详图就是把房屋构造的局部要体现清楚的细节用较大比例绘制出来，以此来表达出构造做法，尺寸，构配件相互关系和建筑材料，在s4、步骤中，将该杆系结构的节点坐标和杆件连接信息记录下来，进一步可进行构件尺寸优化。
47.该格构式结构混合优化设计方法的实施步骤：
48.附图9展示了一块60mm
×
30mm
×
1mm的实体结构，结构左端为固定端约束，结构上端边缘等距作用2个集中荷载，分别为1200n、1200n。材料特性如下：杨氏模量e＝210mpa，泊松比υ＝0.3。质量密度ρ＝7800kg/m3。将设计域被划分为60
×
30个边长为1mm的正方形单元。位移约束为以结构右下端点的位移限值不超过1mm。将结构的上、下、右侧的最外层单元层视为不参与优化的固定域，其他内部单元视为拓扑优化的设计域。这样处理的目的是保证结构四周外框在优化过程中始终存在。
49.此处为了保证附图所示设计域的四周边框在优化过程中始终存在，我们对原有的拓扑优化进行改进，可采用两种可选方法：(1)将这些单元的灵敏度人为设为大值，以保证其在优化过程中不会被删除。(2)在迭代过程中直接将这些单元在下一个迭代步中的值设为1(即代表它为实体单元)。
50.在获得图1-6所示的杆系结构后，将该杆系结构的节点坐标和杆件连接信息记录下来，进一步可进行构件尺寸优化，所得到的结果如图7-8所示。其中图7为与图6相同的杆系结构，图8为优化后的杆系结构。
51.通过选取实体结构，结构左端为固定端约束，结构上端边缘等距作用2 个集中荷载，将结构的上、下、右侧的最外层单元层视为不参与优化的固定域，其他内部单元视为拓扑优化的设计域，这样处理的目的是保证结构四周外框在优化过程中始终存在，再通过将斜支撑拓扑布局和具体的构件截面尺寸两个维度进行优化，保证了后续对实体结构的持续优化，并根据实际生产的承重量来提取骨架和节点，用竖向杆件(柱)和横向杆件(梁)组成门字形的平面构架，通过纵向的梁把一个个门架联成三度空间，杆件之间的节点连接方式一般有铰结和固结两种，最后根据骨架和节点来对杆件的形状和尺寸来对杆件进行选取，杆件的横截面和轴线通过实体结构来描述，选取一定量的杆件后，通过计算机图形学的方法来得到杆系结构，利用杆系识别就是不断的优化实体结构的一个过程，这种方法融合了连续体拓扑优化和尺寸优化的优点，上述的混合优化过程从两个维度，也就是斜支撑拓扑布局和具体的构件截面尺寸两个维度进行了优化，整个过程的耗时只有数分钟，效率非常高。
52.本发明上述实施例首先通过连续体拓扑优化得到结构的基本构型，连续体拓扑优化有着很高的计算效率，这一过程通常仅需要数分钟至数十分钟即可完成。然后通过计算机图形学的方法提取出结构的骨架并识别出杆系结构体系，此时结构骨架仅包括适合于建筑结构设计的直杆，在此基础上对直杆所组成的格构式结构进行构件截面尺寸优化。从上述步骤中可以看出，这里综合运用了连续体拓扑优化和构件尺寸优化两种不同的优化方法，即通过混合优化，提高了优化的效率。
53.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。