Ansys在复合材料结构优化设计中的应用_图文(精)

A一13玻璃钢学会第十六届玻璃钢/复合材料学术年会论文集2006年

Amys在复合材料结构优化设计中的应用

覃海艺,邓京兰

(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070

摘要:优化设计方法在复合材料结构设计中起着十分重要的作用。本文详细介绍了Ansys两种优化设计方法.目标函数最优设计和拓扑优化设计的过程,并运用目标函数最优设计方法对复合材料夹层结构进行了最优结构层合设计和运用拓扑优化设计方'法对玻璃钢圆凳进行了最佳形状设计。结果证明Ansys优化设计方法在复合材料结构设计中的有效性。

关键词:Ansys;优化设计方法;目标函数最优设计;拓扑优化设计;复合材料

l前言

复合材料是由两种或多种性质不同的材料组成,具有比强度、比刚度高、耐疲劳性能好及材料与性能可设计强等特点,广泛应用于汽车、建筑、航空、卫生等领域。复合材料通过各相组分性能的互补和关联获得优异的性能,因此复合材料各组分之间及材料整体结构的合理布置,充分发挥复合材料的性能已成为设计的关键所在…。Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术,Ansys强大的优化设计功能已广泛地应用于复合材料制品的结构设计心J。

2Ansys中的优化设计方法【3娟j

2.1目标函数最优设计

“最优设计”是指满足所有的设计要求,而且所需(如重量、面积、体积、应力、费用等的方案最小,即目标函数值最小。也就是说,最优设计方案是一个最有效率的方案。在Ansys中设计方案的任何方面都是可以优化的,如尺寸(如厚度、形状(如过

渡圆角的大小、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。实际上,所有可以参数化的Ansys选项都可以作优化设计。目标函数最优设计是通过改变设计变量(自变量的数值,使状态变量(设计变量的函数,因变量在满足一定条件时,目标函数(因设计变量的改变而有所改变的值最小。

目标函数最优设计的一般步骤为①生成循环所用的分析文件,该文件须包括整个分析的过程,并满足以下条件:参数化建立模型(PREIy7,对模型进行初次求解(SOLUTION,对初次求解的结果提取并指定状态变量和目标函数(POSTl/POST26;②在Ansys数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数,这一步是标准的做法,但不是必须的(BEGIN或OPT;③进入OPT优化处理器,指定要进行优化设计循环的分析文件(oPT;④声明优化变量:指定哪些参数是设计变量,哪些参数是状态变量,哪个参数是目标函数;⑤选择优化工具或优化算法:优化算法是使单个函数(目标函数在控制条件下达到最小值的传统算法,包括零阶算法和一阶算法;⑥指定优化循环控制方式,每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数,比如最大迭代次数等;⑦进行优化分析;⑧查看设计序列结果(OPT和后处理(POSTl/POST26。

2.2拓扑优化设计

拓扑优化是指形状优化,有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多作者简介:覃海艺(1980?,男,在读硕士。

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载荷的物体的最佳材料分配方案。与目标函数最优设计不同的是,拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。目标函数、状态变量和设计变量是程序内部预定义好的。用户只需给出结构的参数(材料特性、模型、载荷等和要省去的材料百分比,即可通过优化计算得到结构的最佳外形设计。拓扑优化的目标是在满足结构约束的情况下减少结构的变形能,从而提高结构的刚度,所以在优化中表现为“最大刚度”设计。

拓扑优化设计主要步骤为①定义拓扑优化包括定义材料特性(杨氏模量和泊松比,选择合适的单元类型生成有限元模型,施加载荷和边界条件做单载荷步或多载荷步分析;②选择单元类型,Ansys中可用于拓扑优化的单元有二维实体单元(SOLID2和SOLID82、三维实体单元(SOLID92和SOLID95、壳单元(SHELL93;③指定要优化和不优化的区域,只有单元类型号为1的单元才能做拓扑优化,使用这种限制控制模型优化和不优化的部分;④定义和控制载荷工况,可以在单个载荷工况和多个载荷工况下做拓扑优化;⑤定义和控制优化过程:定义优化参数和进行拓扑优化;⑥查看结果。拓扑优化结束后,ANSYS将优化结果存储于结果文件(Jobname.RST供通用后处理器使用。

3复合材料结构优化设计[3侧

3.1目标函数最优设计实例

3.1.1问题的提出

玻璃钢夹层结构已广泛应用于玻璃钢制品中,生产一款夹层结构的玻璃钢汽车顶盖,长3000ram,宽1500mm,厚25ram。初步计算,生产中夹层结构单位体积费用为玻璃钢的1/5,顶盖设计最大面载荷为1000N/m2。材料力学性能为(E为弹性模量,盯为许用应力,恤为泊松比,G为剪切弹性模量,8为许用应变,U为最大允许挠度:

玻璃钢(视为板结构,正交各向异性材料

El_16GPa,E:=12GPa,G:2=4.5GPa,斗112=o.30

盯1=150MPa,￡1=0.2%,U1=8.0mm

夹层为泡沫材料(视为各向同性材料

Ei=E;=o.1GPa,斗212=o.30,盯2=1.0MPa,82=0.15%,U2=8.0mm 问:夹层材料厚度为多少较合适。

3.1.2生成优化循环分析文件

(1参数化建模

由已知,把汽车顶盖视为平板模型,尺寸不变,四边简支,顶部受最大面载荷

1000N/m2。设计平板上下层为玻璃钢材料,厚度均为T。,中间层为泡沫材料,厚度为T2形状如图1,且T2=25—2×T。。用有限元软件Ansy8建立参数化模型,采用99号单元进行网格划分,如图2所示。

图1平板截面示意

图2有限元网格模型

3.2拓扑优化设计实例

3.2.1问题的提出

如设计一复合材料圆凳,采用短切纤维增强材料和SMC模压成型工艺,上部圆直径为500ram,下部圆直径为700mm,高为600ram,圆凳上部设计最大面载荷为

10000N/m2。视短切纤维增强复合材料为各向同性材料∽J,经样板试验测得玻璃钢材料力学性能为弹性模量E= 15GPa,泊松比斗=0.32,许用应变8=O.2%,许用应力

or=150MPa。按设计经验,初步设计圆凳形状如图5(有限元网格图所示。为了防止圆凳因受压失稳而破坏,其壁加厚为10ram,由此经Ansys静力分析得结果,如表2。其中,8一为最大应变,盯一为最大应力,u~为最大位移。

表2初步设计的计算结果

由表2的计算结果发现,所设计的产品力学安全性能远远大于使用要求,按这样的设计,材料没有得到充分的发挥,造成浪费。在基本尺寸(长宽高及壁厚不变的情况下,对圆凳下部侧边进行材料缩减(即挖空,以合理使用材料和减少生产成本。

3.2.2拓扑优化分析

按设计要求,选取solid95优化单元进行网格划分(如图5,对凳脚中间部分节点施加固定约束,圆凳上表面施加面载荷,初步设定缩减参数为(圆凳总体积的40%。经拓扑优化分析,可得优化结果,如图6。

图5初步设计有限元模型图6拓扑优化结果图7重新设计的模型

3.2.3形状重新设计

按形状优化设计结果(图6,对模型形状进行重新设计如图7,并对其进行有限元静力分析校核,分析结果见表3。

表3形状重新设计后的计算结果

由表3数据可知,按图7的设计方案,模型在满足使用性能的条件下,材料用量比初步设计结果(图5少了许多,是一种较理想的设计方案。仔细观察表3数据可知,按图7的设计方案,模型的安全系数仍然相当高。按图6拓扑优化结果所示,还可以酌情对模型进行一部分材料缩减,如再次挖空减料、减小截面厚度等,再次进行分析校核,直到得出最合理最经济的设计方案。值得注意的是凳脚太细或截面太薄时,需对模型进行屈曲分析校核,以防止圆凳在满足52

优化设计在材料中的应用

复合材料结构稳定性约束优化设计 纤维增强复合材料结构, 以高的比强度和比刚度, 在航空航天领 域得到了广泛的应用。许多空天结构的设计, 均利用复合材料结构特殊的屈曲特性, 以达到提高稳定性和降低结构重量的目的, 如机身、航天器的承力筒、直升机地板等。复合材料具有较强的可设计性, 可通过优化铺层参数, 如层数和纤维铺设角, 提高结构的临界屈曲载荷, 在满足稳定性要求的前提下减轻结构重量。有关复合材料结构稳定性优化以及稳定性约束优化的研究不断发展, 如文献[ 1] 研究了层合板临界屈曲载荷的优化方法及灵敏度分析方法, 文献[ 2] 通过引入层合板刚度矩阵求解过程的中间变量,对屈曲载荷进行了优化; 近年来遗传算法也逐渐被应用于该问题, 扩大了研究对象的结构形式范围,提高了优化设计的效率。但是, 多数复合材料稳定性方面的优化工作采用的是确定性的优化设计方法, 即不考虑材料及载荷的不确定性, 得到的优化结果濒临失效边界, 难以满足结构的可靠性要求。纤维增强复合材料, 材料性能离散度大, 工作环境复杂, 各向异性的特点使其对载荷相当敏感。20 世纪90 年代, 设计者们逐渐意识到不确定性因素给复合材料结构带来的影响[ 3], 因此复合材料结构的可靠性优化设计越来越多地受到工程界的重视, 并开展了相关研究。文献[ 4, 5] 基于层合板临界屈曲载荷的解析表达式, 构建极限状态方程, 计算结构的失效概率。但是, 工程实际中的结构通常需要使用有限元等方法进行结构分析, 缺少显式的极限状态函数, 造成可靠度计算困难。对此, 一些学者提出了结构可靠性分析的响应面 法, 使 可靠度计算得以简化，并且一般能够满足工程精度

基于ANSYS的结构优化设计有限元分析.

基于ANSYS 的结构优化设计有限元分析 收稿日期:2004211213 作者简介:郝金伟(19752,男,后勤工程学院结构工程专业在读硕士研究生,重庆400016 闫奕任(19752,男,1998年毕业于后勤工程学院营房工程专业,沈阳军区联勤部营房部,辽宁沈阳110005蒋懋(19752,男,后勤工程学院在读硕士研究生,讲师,后勤工程学院军事建筑工程系,重庆400016 郝金伟闫奕任蒋懋 摘要:为验证ANSYS 对结构优化设计的有效性,从理论上说明了结构优化设计的数学过程,介绍了ANSYS 优化的相

关概念、过程,结合某设计优化实例,为使用者提供了一套系统的思维模式,创造了良好的条件和方法。关键词:结构,优化设计,有限元分析中图分类号:TU318.1文献标识码:A 引言 据统计,与传统设计相比,采用优化设计可以使土建工程降低造价5%~30%[1]。自1973年Z ienkiewicz 利用有限元法做结构分析,Braibant 利用节点坐标为设计变 量做有限元分析以来,随 着计算机和有限元软件的发展,用计算机手段实现结构优化设计再度引起了工程师和研究者们的极大兴趣。大型通用有限元软件ANSYS 不仅可以做一般结构应力分析、动态系统模拟、热传导分析和磁场分析,也可以用来做优化设计。ANSYS 提供了两种优化方法:零阶方法是一个很完善的处理方法,可以很有效地处理大多数的工程问题;一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度,因此,更加适合于精确的优化分析。对于这两种方法,ANSYS 提供了一系列的分析→评估→修正的循环过程,即对于初始设计进行分析,对分析结果就设计要求进行评估,然后修正,这一循环过程重复进行,直到所有的设计要求都满足为止。 1结构优化设计 1.1结构优化设计的数学过程 最优结构方案可以包括很多方面:可求出结构最好的几何形状;可选择各种构件尺寸使结构的造价最低;若构件本身的形状允许改变,也可选择构件的最好形状;若几何形状已定,则可以适当选取截面,使结构总重量最轻。结构优化设计具有如下特点: 1无论是以重量或造价为目标函数,其函数式中的各项系数均为正值,且目标函数值恒大于零,多为取极小化问题。2设计变量总是不小于零。3在数学模型中可以避免等式约束条件,它通常由结构分析来代替,因此约束条件多为不等式,约束函数一般是连续可导和非线性的。4最优解一定位于可行域的边界上,而不在可行域的内部。5设计变量多,约束条件多,且约束函数多为隐函数。

机械结构优化设计

机械结构优化设计 ——周江琛2013301390008 摘要：机械优化设计是一门综合性的学科，非常有发展潜力的研究方向，是解决复杂设计问题的一种有效工具。本文重点介绍机械优化设计方法的同时，对其原理、优缺点及适用范围进行了总结，并分析了优化方法的最新研究进展。关键词：优化方法约束特点函数 优化设计是一门新兴学科,它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上,通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案,使期望的经济指标达到最优,它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题,优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法,因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面:一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型,建立数学模型包括:选取适当的设计变量,建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式,约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系;二是如何求得该数学模型的最优解:可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题。机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下,在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内,以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象,选取设计变量,建立

目标函数和约束条件,并使目标函数获得最优值一种现代设计方法,目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。优化设计是20世纪60年代初发展起来的，它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新方法，就可以寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它已广泛应用于各个工业部门。优化方法的发展经历了数值法、数值分析法和非数值分析法三个阶段。20世纪50年代发展起来的数学规划理论形成了应用数学的一个分支，为优化设计奠定了理论基础。20世纪60年代电子计算机和计算机技术的发展为优化设计提供了强有力的手段，使工程技术人员把主要精力转到优化方案的选择上。最优化技术成功地运用于机械设计还是在20世纪60年代后期开始，近年来发展起来的计算机辅助设计（CAD），在引入优化设计方法后，使得在设计工程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可加快设计速度，缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品更新日益所以今天，把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来，使设计工程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。 优化设计方法多种多样，主要有以下几种：1无约束优化设计法；无约束优化设计是没有约束函数的优化设计，无约束可以分为两类，一类是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法，如最速下降法、共轭梯度法、牛顿法及变尺度法等。另一类是只利用目标函数值的无约束优化方法，如坐标轮换法、单形替换法及鲍威尔法等。此法具有计算

Ansys在复合材料结构优化设计中的应用

Ａ一１３玻璃钢学会第十六届玻璃钢／复合材料学术年会论文集２００６年 Ａｍｙｓ在复合材料结构优化设计中的应用 覃海艺，邓京兰 （武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉４３００７０） 摘要：优化设计方法在复合材料结构设计中起着十分重要的作用。本文详细介绍了Ａｎｓｙｓ两种优化设计方法．目标函数最优设计和拓扑优化设计的过程，并运用目标函数最优设计方法对复合材料夹层结构进行了最优结构层合设计和运用拓扑优化设计方＇法对玻璃钢圆凳进行了最佳形状设计。结果证明Ａｎｓｙｓ优化设计方法在复合材料结构设计中的有效性。 关键词：Ａｎｓｙｓ；优化设计方法；目标函数最优设计；拓扑优化设计；复合材料 ｌ前言 复合材料是由两种或多种性质不同的材料组成，具有比强度、比刚度高、耐疲劳性能好及材料与性能可设计强等特点，广泛应用于汽车、建筑、航空、卫生等领域。复合材料通过各相组分性能的互补和关联获得优异的性能，因此复合材料各组分之间及材料整体结构的合理布置，充分发挥复合材料的性能已成为设计的关键所在…。Ａｎｓｙｓ软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术，Ａｎｓｙｓ强大的优化设计功能已广泛地应用于复合材料制品的结构设计心Ｊ。 ２Ａｎｓｙｓ中的优化设计方法【３娟ｊ ２．１目标函数最优设计 “最优设计”是指满足所有的设计要求，而且所需（如重量、面积、体积、应力、费用等）的方案最小，即目标函数值最小。也就是说，最优设计方案是一个最有效率的方案。在Ａｎｓｙｓ中设计方案的任何方面都是可以优化的，如尺寸（如厚度）、形状（如过渡圆角的大小）、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。实际上，所有可以参数化的Ａｎｓｙｓ选项都可以作优化设计。目标函数最优设计是通过改变设计变量（自变量）的数值，使状态变量（设计变量的函数，因变量）在满足一定条件时，目标函数（因设计变量的改变而有所改变）的值最小。 目标函数最优设计的一般步骤为①生成循环所用的分析文件，该文件须包括整个分析的过程，并满足以下条件：参数化建立模型（ＰＲＥＩｙ７），对模型进行初次求解（ＳＯＬＵＴＩＯＮ），对初次求解的结果提取并指定状态变量和目标函数（ＰＯＳＴｌ／ＰＯＳＴ２６）；②在Ａｎｓｙｓ数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数，这一步是标准的做法，但不是必须的（ＢＥＧＩＮ或ＯＰＴ）；③进入ＯＰＴ优化处理器，指定要进行优化设计循环的分析文件（ｏＰＴ）；④声明优化变量：指定哪些参数是设计变量，哪些参数是状态变量，哪个参数是目标函数；⑤选择优化工具或优化算法：优化算法是使单个函数（目标函数）在控制条件下达到最小值的传统算法，包括零阶算法和一阶算法；⑥指定优化循环控制方式，每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数，比如最大迭代次数等；⑦进行优化分析；⑧查看设计序列结果（ＯＰＴ）和后处理（ＰＯＳＴｌ／ＰＯＳＴ２６）。 ２．２拓扑优化设计 拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多作者简介：覃海艺（１９８０?），男，在读硕士。 ４９

结构优化设计在房屋结构设计中的运用

结构优化设计在房屋结构设计中的运用 发表时间：2019-04-04T09:06:49.333Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第34期作者：严明煜 [导读] 建筑行业的发展机遇与挑战共存，并且随着越来越多的建筑企业参与到市场竞争中，使得建筑行业的竞争也越发激烈。因此，如果建筑企业想要在暗流涌动的市场格局中争得一席之地，就必须要改进原有的建筑结构设计，优化设计技术水平。因此，当前对建筑结构设计中优化技术的研究是必不可少的。 严明煜 浙江东南建筑设计有限公司浙江杭州 310000 摘要：建筑行业的发展机遇与挑战共存，并且随着越来越多的建筑企业参与到市场竞争中，使得建筑行业的竞争也越发激烈。因此，如果建筑企业想要在暗流涌动的市场格局中争得一席之地，就必须要改进原有的建筑结构设计，优化设计技术水平。因此，当前对建筑结构设计中优化技术的研究是必不可少的。 关键词：建筑结构设计；优化技术；应用探讨 1建筑结构设计优化的概念、特点以及重要意义 所谓建筑结构设计优化，主要是指建筑在最初的设计之时，除了要保障房屋建筑等的施工安全性以及实用性，还要能够在基本满足人们最基本生活要求的同时，尽量保证房屋结构不仅美观，还要合理、舒适，使得房屋建筑具有安全性、适用性、经济性、科学性、美观等的综合性设计方案。一般建筑结构设计优化方法普遍具有以下几个特点：（1）建筑结构优化设计方法具有多样性和综合性的特点。（2）建筑结构优化设计方法是与艺术等审美标准相融合的设计，直观效果比较强。（3）建筑结构优化設计的安全系数得到了整体的提高。（4）建筑结构优化设计的适用性增强。（5）建筑结构优化设计能够体现当今时代的低碳要素，具有节能性和环保性。（6）建筑结构优化设计的经济化趋向愈来愈明显。（7）建筑结构优化设计在管理中更加简易、方便、快捷。（8）建筑结构优化设计具有科学性（9）建筑结构优化设计具有明显的创新意识、突破了传统的设计形式。建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用具有以下重要意义：建筑结构优化设计方法在房屋结构设计的应用中，是以优化房屋的结构、保障房屋建筑的质量及其安全为目的的。根据近年来我国城市建筑的发展趋势以及科学技术的发展情况来看，与传统的房屋设计相比，经过优化设计的建筑所采取的设计理念以及设计技术更为先进和科学，能够充分发挥房屋建筑建材的性能以及其设备的性能的优势，成本支出也更为低廉，从而实现企业利益的最大化。除此之外，建筑结构优化设计方法应用于房屋结构设计中，能够实现房屋建筑内部结构的协调和整合，有效提高房屋建筑的质量以及安全性。现代的建设结构优化设计方案和传统的建设房屋比较，运用设计方法后的建筑可以降低工程的建设投入成本和投资，提高建筑结构的优化方法，可以节省建设材料的使用，充分利用建设材料。 2结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤 2.1结构优化模型 房屋结构整体优化设计方法分以按3个步骤进行。首先，选择设计变量。一般把对设计要求起主要影响作用的参数作为设计变量，如目标控制参数（结构造价C1和损失期望C2）和约束控制参数（结构的可靠度PS）；而将那些对设计要求来讲，变化范围不大或是根据结构要求或局部性的设计考虑就能满足设计要求的参数等作为预定参数，这可以大大减少设计、计算和编制程序的工作量；其次，确定目标函数。寻求一组满足预定条件的截面几何尺寸和钢筋截面积以及失效概率，从而使总费用最小；第三，确定约束条件。房屋结构基于可靠度优化设计的约束条件，则包括尺寸约束、结构强度约束、应力约束、变形约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、结构体系约束、从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。在设计中，要使结构优化设计应用于实际房屋结构工程，则是路房屋结构设计中实际的约束条件与目标约束条件相比较，保证各约束条件都符合现行规范的要求，以实现最优设计。 2.2设定优化设计计算方案 房屋结构基于可靠度的优化设计问题属于比较复杂的多变量、多约束非线性优化问题，一般情况下，在计算过程中，应转化问题求解，即将有约束优化问题转化为无约束问题。可以利用起来的优化设计计算方法有复合形法、拉氏乘子法、Powell法等。 2.3进行程序设计 根据基于可靠度的结构优化模型和选择的优化设计计算方法，编制功能齐全、运算速度快的综合程序。 2.4结果分析 对计算结果进行分析，确定最优设计方案。 在上述步骤的执行过程中，涉及的问题包括多个方面，所以要全方位、多角度地考虑。这主要是因为建设投资这项工程的耗资非常大，涉及到的情况非常多，所以，总法则和考虑必须综合进行，不能片面地追求资金的节约而不顾设计的优化作用。技术与经济之间存在一对矛盾，要能够正确处理，因为它是控制投资中至关重要的环节。因此，在设计中片面强调经济节约是不正确的，应满足技术上的相应要求，使项目达到相应的功能倾向，与此同时，要反对重视技术，轻经济、设计保守浪费的现象。 3建筑结构设计优化在房屋设计中的具体运用 3.1整体和布局的统一性 以湖南省某处建筑设计为例，建筑平面图如图1所示，在建筑设计过程当中，经常会运用到艺术建筑设计理念，在项目的整体性工程设计方面，需要对建筑设计和艺术性设计实施完美的结合。因此，在建设过程中需要充分地考虑到整体建筑项目风格以及对建筑环境的和谐统一。从另外一个角度上来进行分析，建筑的局部美和整体性设计上都需要进行和谐统一，不管是在走线的方式还是建筑给排水管道的铺设上，都需要以整体性和安全性为主要的设计原则，在充分的保证建筑安全性的前提下来进行美观性设计。 3.2建筑结构的优化设计 在建筑结构设计优化工作当中，需要充分考虑到建筑剪力墙的优化设计，在建筑优化设计过程中主要表现在对建筑的安全性能的保障方面。充分结合建筑设计的中心位置以及剪力墙的整体受力形式，尽可能降低剪力墙的设计指标，在降低建筑受力方面，需要重点考虑建

ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用

ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用 复合材料，是由两种或两种以上性质不同的材料组成。主要组分是增强材料和基体材料。复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能的互补和关联，获得优异的性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点，应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，并改善结构性能。目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。板壳结构如机翼蒙皮，实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。此外，采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。一.复合材料设计分析与有限元方法复合材料层合结构的设计，就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。采用传统的等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能难以充分发挥。在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析，其基本原理在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本构矩阵不同。复合材 料有限元法中的离散化是双重的，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。有限元分析软件，均把增强材料和基体复合在一起，讨论结构的宏观力学行为，因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为，以每一铺层为分析单元。二.ANSYS复合材料仿真技术及其在航空领域应用复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质，因此复合材料结构的精确仿真，已成为现代航空结构的迫切需求。许多CAE程序都可以进行复合材料的分析，但是大多程序并没有提供完备的功能，使复合材料的精确仿真难以完成。如有些程序不提供非线性分析能力，有些不提供层间剪切应力的求解能力，有些不提供考虑材料失效破坏继续计算能力等等。ANSYS作为一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天领域，为飞机结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。1.复合材料的有限元模型建立针对飞机结构中的复合材料层合板、梁、实体以及加筋板等结构类型，ANSYS提供一种特殊的复合材料单元———层单元，以模拟各种复合材料，铺层数可达250层以上，并提供一系列技术模拟各种复杂层合结构。复合材料层单元支持非线性、振动特性、热应力、疲劳断裂等各种结构和热的分析功能和算法。2.复合材料的层合结构定义：■铺层结构：ANSYS对于每一铺层可先定义材料性质、铺层角、铺层厚度，然后通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构；也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。■板壳和梁单元截面形状：ANSYS利用截面形状工具可定义矩形、I型、槽型等各种形式；还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。3.特殊层合结构的模拟：?变厚度板壳铺层切断：将切断的某铺层厚度定义为零，即可模拟铺层切断前后的板壳实际形状。（图1上）?不同铺层板壳的节点协调：ANSYS板壳层单元的节点均可偏置到任意位置，使不同铺层数板壳的节点在中面或顶面、底面对齐。（图1下）?蜂窝/泡沫夹层结构：ANSYS通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性，夹层面板和芯子可以是不同材料。（图2）?板－梁－实体组合结构：ANSYS将实体、板壳与梁等不同类型单元通过MPC技术相联系，各类单元的节点不需要重合并协调，便于飞机等复杂结构模型的处理。4.复合材料有限元模型的检查：复合材料结构模型建立后，可以将板壳和梁单元显示为实际形状，还可以通过图形显示和列表直观地观察铺层厚度、铺层角度和铺层组合形式，方便模型的检查及校对。（图3）5.复合材料层合结构分析ANSYS层单元支持各种静强度刚度、非线性、稳定性、疲劳断裂和振动特性等结构分析。完成分析后，可以图形显示或输出每个铺层及层间的应力和应变等结果（虽然一个单元包含许多铺层），根据这些结果可以判断结构是否失效破坏和满足设计要求。6.复合材料失效准则ANSYS已经预定义了三种复合材料破坏准则来评价复合材料结构安全性，包括最大应变/应力失效准则，蔡－吴（Tsai-Wu）准则。每种强度准则均可定义与温度相关，考虑不同温度下的材料性能。另外，用户也可自定义最多达六种的

结构优化设计的几点应用

结构优化设计的几点应用 摘要：提出结构优化设计的概念，重点分析和推导了钢筋混凝土受弯构件造价最省的条件，可以为设计人员判断受弯构件的截面是否优化提供参考。 关键词：结构优化设计；钢筋混凝土受弯构件；造价 1. 引言 一般结构设计的流程按图一进行，结构选型、布置和截面等是设计师根据设计要求和实践经验，参考类似的工程设计确定的。设计中大量的工作都是对初步选定的设计方案进行校核，现行设计规范的表述模式一般是不等式，如，因此满足不等式的结构方案必定是无限多种的。在满足设计规范和使用要求的前提下，另外确定一个特定指标使其达到极大或极小（如造价最省、工期最短、自重最轻、梁高最小等），就是结构优化设计。

优化设计用数学的方法描述就是目标函数的极值问题。一个结构的设计方案是由若干个变量来描述的，这些变量可以是构件的截面尺寸，也可以是结构的形状布置，还可以是材料的力学或物理参数。结构设计的所有变量计为[X]，结构设计必须满足建筑功能和设计规范的要求，也就

是所有的变量必须满足一定的约束条件： H(X)=0 G(X)≥0 设定的优化目标必定是[X]的函数F（X）,F(X)→min(或max)所求的一组解[X0]就是最优化设计的解。 [X]的维数决定了优化设计的过程离开计算机是无法实现的，遗憾的是现阶段的结构设计软件除少数钢结构软件有构件截面的自动优选外，一般都没有引入优化设计的概念。因此现阶段可以操作的优化设计依然是电脑与人脑的结合，即所谓的概念设计，根据一定的经验指标判断计算结果是否已达优化，也就是如图二所示，在一般设计的流程中加入最优化的判断。 2. 结构优化设计的分类： 根据结构设计的流程，优化设计可以分为宏观优化和微观优化，宏观优化包括结构选型和结构布置的优化，微观优化主要是指杆件截面的优化。 结构选型的优化包括基础方案和上部结构的优化，结构选型的优劣直接决定了结构设计的质量，更多的依靠设计人的经验和能力，当复杂的问题超出经验的范围时，对不同的结构方案进行试算不失为一种可行的方法，这时忽略一些微观的因素，相当于大大降低了自变量[X]的维数，少量的计算比较就可以找到比较优化的结构选型。比如框架-筒体的超高层建筑，外框架可采用钢筋混凝土、钢管混凝土、型钢混凝土，可以加斜撑，也可以做加强层，在不能准确判断采用哪种方案的时候，逐一试算，比较钢材和混凝土的用量或其他目标函数，可以在较短的时间内

ANSYS结构分析指 复合材料

ANSYS结构分析指南第五章复合材料 5.1 复合材料的相关概念 复合材料作为结构应用已有相当长的历史。在现代，复合材料构件已被大量应用于飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。 复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比刚度(刚度与重量之比)。在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。 ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。利用这些单元就可以作任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。对于热、磁、电场分析，目前尚未提供层单元。 5.2 建立复合材料模型 与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，在定义各层材料的材料性能和方向时要特别注意。本节主要探讨如下问题： 选择合适的单元类型； 定义材料层； 确定失效准则； 应遵循的建模和后处理规则。 5.2.1 选择合适的单元类型 用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46和SOLID191 五种单元。但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和 SHELL46 单元。具体应选择哪一类单元要根据具体应用和所需计算结果类型等来确定。所有的层单元允许失效准则计算。 1、SHELL99--线性层状结构壳单元 SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。该单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选用 SOLID46 来建立模型。SHELL99 允许有多达 250 层的等厚材料层，或者 125 层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等材料层。如果材料层大于 250，用户可通过输入自己的材料矩阵形式来建立模型。还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底层。 2、SHELL91--非线性层状结构壳单元 SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用户不能输入自己的材料性能矩阵。但是，SHELL91 支持塑性、大应变行为

浅谈建筑结构优化设计的应用

浅谈建筑结构优化设计的应用 发表时间：2015-10-14T11:00:47.510Z 来源：《工程建设标准化》2015年6月总第199期供稿作者：王猛 [导读] 目前各种建筑的工艺越来越复杂，相应的技术越来越先进，因此对建筑结构的设计与实践运用提出了更高要求。 【摘要】随着现代科学技术的快速发展，人们对物质需求越来越强烈，对市场的需求以及对各种事物的要求越来越高，其中就表现在建筑结构上，目前各种建筑的工艺越来越复杂，相应的技术越来越先进，因此对建筑结构的设计与实践运用提出了更高要求。我们应该充分结合理论与实际，发掘新特点优势，从实际出发，立足本质，进行好建筑结构的优化和实际部署应用，本文从建筑结构优化的意义以及优化设计的应用进行了探究。 【关键词】建筑结构；结构优化；实际运用 建筑是一种艺术，人们都是带着审美的眼光去审查一栋建筑，建筑是从美观的外形和结构功能设计来审判的，适用、经济、便于施工是建筑结构设计的追求，建筑的艺术性是追求建筑的美观、力度的美学、外型的总体效果、建筑的结构设计和建筑的艺术性完美的融合，只有这样才能把建筑有限的空间无限扩大、有限的资源的最大发挥，实现建筑整体性的完美，建筑结构设计优化方法要遵循满足建筑外型美观要求、满足建筑结构安全、合理的原则。 1．建筑结构优化设计的现实意义 随着社会经济的迅速发展，城市里突现的是钢筋水泥的建筑，住宅越来越多，层数越来越高，成本明显增高，要设法降低单位面积的成本，整体降低总成本，因此建筑结构的优化设计可以降低成本的总造价；由于建筑的层数增加，楼体结构自重相应增加，接踵而来的是水卫和点气管线增长等一系列问题，因此建筑结构的优化可以提高建筑结构的经济性。经过考证，结构优化之后要比传统结构的工程造价低7%-35%左右，达到经济高效的效果，又可实现建筑物美观实用，在实际运用中，最合理的利用材料的性能，可以使建筑内部各单元得到最好的利用，在建筑整体造价和建设施工工期方面也有较为良好的贡献，建筑结构优化的最终目的是实现适用、经济和安全，实现经济效益的最大化。 2．建筑结构优化设计应用的理论 建筑结构优化应用有两方面的作用，一是在建筑分部结构的优化设计方面的作用，二是在房屋工程结构总体的优化设计方面的作用，两者都有细分，例如结构总体的优化设计囊括了总体方案优化设计和细部结构方案的优化设计等，从另一方面讲包含了形体结构选型、布置、机构体的受力分析、建筑整体造价分析等项目。在建筑结构优化的实际应用中，可以根据使用简单、应用方便的原则，对建筑工程进行结构优化设计，在建筑结构设计过程中，要满足设计意图、平面布置规则、整体形态对称原则、质量中心和刚度中心整体布局原则、建筑物水平荷载作用等一系列问题[1]，做到在理论上为实践提供前提、提供理论基础，做好准备工作。 3．建筑结构优化设计应用的方法简介 3.1做好建筑结构优化设计的函数模型 建筑结构优化要选择主要参数，建立数学模型（函数模型），根据科学合理的方法，得出最优的答案，从而得出最合理的优化方案，结合建筑结构的规律和自身的实践经验，对各方面的影响因素进行全面的综合考虑，找出行之有效的结构方案设计，模型的建立有两个步骤[2]，一是选择变量，即选择影响较大的参数，减少计算编程的工作量；二是确定目标函数，例如房屋结构，确定房屋结构的约束条件，在既定的条件下得出最优解，这种设计方法具有一定的准确性，在实际的房屋建造中具有重要的参考作用。 3.2做好建筑结构优化的方案设计 建筑结构优化方案设计是做好优化的前提，做好方案设计，设计多个变量、多个条件，编制相应的运算程序，得到最优结果。4．建筑结构优化设计的实际应用 4.1建筑场地的合理选择 建筑的拔地而起需要选择合理的建筑场地，在进行建筑场地选择中要考虑很多因素，如防护距离、建筑退界、日照间距、抗震、地段选址等因素[3]，必要时选择合理相应的抗震措施。 4.2建筑主体结构的选择 建筑结构的设计要遵循规则结构效应的原则，有利于降低造价，通过对墙、柱、梁的调节使不规则的建筑体型产生规则结构效应，例如剪力墙结构布置。需要进行优化设计的主要部分有很多，如基础、墙、柱、梁、楼板、屋面板等，这些是建筑的主要构成部分，在基础的优化设计中，选择合理的基础形式、控制好基础的截面尺寸，相对减少基础结构的造价费用，柱子的截面对工程的造价也有直接的影响；对于柱网布局和柱子截面的优化设计，确定好柱子的行间距，而柱网布局确定着竹子的行间距，因此柱网布局对工程的造价起着至关重要的作用；梁的设计，为了提高材料的利用率，在实际应用中一般都采用平面架来替代矩形梁，减轻了自身重量，经济又实用；钢筋的优化设计，在建筑结构的优化设计中，要对钢筋的型号进行选择，施工过程中钢筋的型号不同，会造成施工的结果不同，如钢管砼结构和钢结构在自重和承载力相近时，前者比后者节约将近45%的钢材，大大节约了工程成本。 4.3初期方案阶段和抗震设计的应用 对于建筑结构来说，前期方案的确定直接影响到最终建筑的成本投资，而目前的市场情况是前期的方案设计部分不参与结构优化设计，而且在前期的建筑方案设计中，很多没有考虑到主体结构的分析或者对于部分分析不到位、不精准，作为一个合格的结构设计人，应该依靠自身所基本的结构概念去布置结构方案，结合建筑空间结构和结构模型概念以及函数模型来进行方案设计。因为运用概念设计方法，在初期方案的设计中，可以根据简单的函数模型，估算出构件的截面面积[4]。建筑结构优化还要考虑最为重要的一点，就是建筑的抗震性，在建筑抗震设计过程中，大多数建筑结构的优化设计主要按照概念设计进行工作，而软件计算并不是建筑结构优化的主要依据，建筑的使用过程中，抗震效果是居民考虑的一个重要问题，尤其在地震多发地带，由此看来，建筑物的耐久性、安全性、功能性是建筑结构设计的三个重点内容，在节约成本以及达到规定年限的前提下，满足抗震功能是重中之重，在地震中，房屋不倒塌是最优目标，由于地震的不规律性，在没有防范措施的情况下会对建筑物造成巨大的破坏，采取行之有效的抗震设计是实现居民财产安全不受侵害的前提，根据建筑物的延展性设计，可以防止建筑物在地震的作用下发生破坏，根据结构优化的原则，对称设计是提高抗震效能的重要手段。

ANSYS命令流学习笔记圆柱形shell单元的复合材料分析

A N S Y S命令流学习笔记圆柱形s h e l l单元的 复合材料分析 Document serial number【LGGKGB-LGG98YT-LGGT8CB-LGUT-

! ANSYS命令流学习笔记15-圆柱形shell单元的复合材料分析 !学习重点： !1、熟悉单元坐标系下的铺层 当零件形状为规则圆筒时，如何进行铺层建立局部的柱坐标系，将需要铺层单元坐标设置为局部坐标系，进行铺层即可。 譬如圆筒铺层的单元坐标系要建立局部圆柱坐标系。如果还使用笛卡尔坐标系，铺层也能进行，但是铺层方向有很大不同，求解结果也会异常。所以划分网格时，确认单元坐标系选择，划分网格之后，检查单元坐标系情况。确认铺层方向符合预期要求。 本例中要特别注意横向（即Y向）是否符合要求。 !2、熟悉圆面的建模和局部坐标系建立 不解释 !3、熟悉利用MPC施加扭矩 APDL如何对一个圆周施加扭矩在圆心处建立一个节点，然后用MPC单元连接圆心节点和圆周节点，然后在圆心节点上施加一个扭矩即可。 注意将MPC单元的属性改为刚性梁。 注意这里MPC单元的利用，也是自己的一些理解。很多细节也不知道如何在APDL 实现。 !问题描述 ! 传动轴长度为1m，壁厚，直径，铺层共十层，角度为-45/45/-45/45/-45/45/- 45/45/-45/45。一端固定，一端圆周施加扭矩M=2000N·m。 复合材料为横向正交各向异性Ex，Ey，Ez，Vxy，Vyz，Vxz，Gxy，Gyz，Gxz分别为195e9Pa, 35e9Pa, 35e9Pa,, , , 15e9Pa, , 15e9Pa。 应力失效参数：+X:767E6Pa; -X:392E6Pa; +Y:20E6Pa; -Y:70E6Pa; +Z:30E6Pa; -Z:55E6Pa; Sxy: 41E6Pa; Syz: 30E6Pa; Sxz: 41E6Pa。

Ansys在复合材料结构优化设计中的应用_图文(精)

A一13玻璃钢学会第十六届玻璃钢/复合材料学术年会论文集2006年 Amys在复合材料结构优化设计中的应用 覃海艺,邓京兰 (武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070 摘要:优化设计方法在复合材料结构设计中起着十分重要的作用。本文详细介绍了Ansys两种优化设计方法.目标函数最优设计和拓扑优化设计的过程,并运用目标函数最优设计方法对复合材料夹层结构进行了最优结构层合设计和运用拓扑优化设计方'法对玻璃钢圆凳进行了最佳形状设计。结果证明Ansys优化设计方法在复合材料结构设计中的有效性。 关键词:Ansys;优化设计方法;目标函数最优设计;拓扑优化设计;复合材料 l前言 复合材料是由两种或多种性质不同的材料组成,具有比强度、比刚度高、耐疲劳性能好及材料与性能可设计强等特点,广泛应用于汽车、建筑、航空、卫生等领域。复合材料通过各相组分性能的互补和关联获得优异的性能,因此复合材料各组分之间及材料整体结构的合理布置,充分发挥复合材料的性能已成为设计的关键所在…。Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术,Ansys强大的优化设计功能已广泛地应用于复合材料制品的结构设计心J。 2Ansys中的优化设计方法【3娟j 2.1目标函数最优设计 “最优设计”是指满足所有的设计要求,而且所需(如重量、面积、体积、应力、费用等的方案最小,即目标函数值最小。也就是说,最优设计方案是一个最有效率的方案。在Ansys中设计方案的任何方面都是可以优化的,如尺寸(如厚度、形状(如过

渡圆角的大小、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。实际上,所有可以参数化的Ansys选项都可以作优化设计。目标函数最优设计是通过改变设计变量(自变量的数值,使状态变量(设计变量的函数,因变量在满足一定条件时,目标函数(因设计变量的改变而有所改变的值最小。 目标函数最优设计的一般步骤为①生成循环所用的分析文件,该文件须包括整个分析的过程,并满足以下条件:参数化建立模型(PREIy7,对模型进行初次求解(SOLUTION,对初次求解的结果提取并指定状态变量和目标函数(POSTl/POST26;②在Ansys数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数,这一步是标准的做法,但不是必须的(BEGIN或OPT;③进入OPT优化处理器,指定要进行优化设计循环的分析文件(oPT;④声明优化变量:指定哪些参数是设计变量,哪些参数是状态变量,哪个参数是目标函数;⑤选择优化工具或优化算法:优化算法是使单个函数(目标函数在控制条件下达到最小值的传统算法,包括零阶算法和一阶算法;⑥指定优化循环控制方式,每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数,比如最大迭代次数等;⑦进行优化分析;⑧查看设计序列结果(OPT和后处理(POSTl/POST26。 2.2拓扑优化设计 拓扑优化是指形状优化,有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多作者简介:覃海艺(1980?,男,在读硕士。 49 载荷的物体的最佳材料分配方案。与目标函数最优设计不同的是,拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。目标函数、状态变量和设计变量是程序内部预定义好的。用户只需给出结构的参数(材料特性、模型、载荷等和要省去的材料百分比,即可通过优化计算得到结构的最佳外形设计。拓扑优化的目标是在满足结构约束的情况下减少结构的变形能,从而提高结构的刚度,所以在优化中表现为“最大刚度”设计。

浅析概念设计在建筑结构优化设计中的应用

浅析概念设计在建筑结构优化设计中的应用 发表时间：2016-08-31T16:22:24.410Z 来源：《建筑建材装饰》2015年9月上作者：陈晨[导读] 随着经济水平的快速发展，传统的建筑结构设计逐渐遭到淘汰。 陈晨 （成都惟尚建筑设计有限公司，四川成都610000）摘要：在如今的建筑工程建设中，设计与施工是影响工程质量的主要原因，而建筑结构设计显得更为重要，它影响着整个工程的安全性与适用性。结构概念设计能够有效地弥补结构设计人员过度依赖计算机软件估算的缺陷，能够有效地避免设计过程仅单凭计算来实现的误区。本文就概念设计在建筑结构优化设计中的具体应用展开论述。 关键词：建筑结构；优化设计；概念设计前言 随着经济水平的快速发展，传统的建筑结构设计逐渐遭到淘汰，人们对结构概念设计的要求也越来越高。计算机软件的改革与发展，给工程建筑师的工作带来了便利，大大地提高了工作效率，提高了结构设计师的工作质量。1概念设计概述 工程结构设计师一般会使用概念设计方式来制定建筑工程的整体方案。在这一工作过程中，工程设计师要利用自身的专业知识和工作经验来完成建筑工程内位置、构件和选型及各项工作的计算及探究工作。对于设计方案中的各种问题，要根据建筑学理论、力学知识和自己的工作经验来实行综合的考虑，然后才能获得一个高效、科学、可行性强的建筑工程设计方案。现今我国的城市化进程很快，工作人员的创新性思维能力也越来越强，现今的建筑结构在具备舒适使用功能的同时还要保证其外观美。因此，建筑施工单位必须紧跟时代进步的步伐，关注概念性设计思想，工程设计人员使用这样的工作方式，能够不断提高建筑结构的质量。但概念设计要求工程设计师有很高的专业水平，尤其是力学方面的知识，这不仅是为了提高建筑工程设计方案的科学性，也是为了保证施工的安全性。 2概念设计步骤及在建筑结构设计中的作用2.1概念设计的步骤 概念设计是一个循序渐进的设计过程，其过程主要有三个步骤。第一，分析阶段。在展开建筑结构设计之前，必须对设计问题进行深入的分析理解。在进行分析的过程中，大部分数据不完整并会呈现模糊不清的特点，即要解决这个问题；第二，综合阶段。在这个设计步骤中，主要就是要解决设计方案中的问题，并采用各种经验手段通过图纸的方式表达概念设计的中心。这种设计方式依靠建筑设计师的灵感思想为主导，将抽象思维具体表达出来；第三，评估阶段。评估设计就是判断与比较多种方案中最佳方案的阶段。评估阶段是一个循环的过程，主要以设计方对其的满意度达到一定程度为评估标准。建筑设计师在进行评估时，需要采用数据计算多种手段来比较各种方案，以获得最佳方案为目标。 2.2建筑结构设计中概念设计的作用分析（1）能够简化设计中的运算方式在我国当前的建筑结构设计运算方式中，存在一些无法运算的缺点，根据这一不足，进行建筑结构设计便不能得出准确的数据答案，对后续的施工也会造成一定的难度和影响。一般来说，建筑结构设计的运算方式主要有三个步骤，分别是：测量已建成的建筑物，考虑建筑结构的承重力；计算建筑结构内部的受力程度，整合之后采用合理的建筑结构方案；从标定控制截面中规划截面，然后测试出相关的质量参数。通过这样的结构设计步骤，可以看出，计算的数据不精确，会给施工带来一系列的不确定性。而概念设计就能够很好的解决这一问题，它能够简化在一般结构设计理论中的计算方式，保证参数的准确性，减少施工过程中出现的问题。 2.2推动辅助设计软件的发展在科技高速发展的情况下，大部分建筑设计师都会依靠计算机程序计算相关数据，对建筑结构设计中概念设计的要求并不高。辅助设计软件的诞生虽然为建筑结构设计提供了便利，但建筑设计师对建筑复杂结构问题的警觉性降低了。因此，在进行设计时，必须加强对概念设计的应用程度。适宜的将概念设计的基本理论与设计软件结合起来，两者兼并才能够在保证数据准确性的同时，推动辅助设计软件的发展。3概念设计在建筑结构优化设计中的应用 3.1选择合理的建筑场地 建筑场地是进行建筑设计之前需要考虑的重要因素，它对建筑设计有决定性与基础性的重要影响。选择建筑场地时，需要考虑的因素有：光照间距、防护的距离、建筑的占地面积。与此同时，还应该考虑抗震因素，避免出现大型地质灾害时，危及到生命财产安全。在不能避免危险地段选址时，就要在建筑结构设计中，结合相应的抗震防护措施，对地形进行全面考察。 3.2根据相应的现场状况选择建筑基础对建筑场地选址结束之后，就要根据建筑地形的各种特点选择适宜的建筑基础，建筑基础分为桩基础与箱型基础。在地质疏松的地方建造高层建筑，而地基本身的承载力不足的情况下，就可以采用桩地的建筑基础。它能够有效地将建筑物的承载力分散给坚实的持力层中去。在遇到建筑地土质不均并沉降的情况下，就可以采取箱型基础的建筑基础，它能够改善地质不均匀的现象，并能增强建筑物的抗震能力。 3.3选择合理的建筑主体结构建筑主体结构是存在在建筑空间的结构体系，在当前的建筑结构设计中，其局限性还相对较大。因此，需要强化概念设计，灵活应用概念设计的功能，坚持合理对称的原则，有效保证结构构件的稳定性。通过对建筑结构体系与各种力学之间的研究分析，将建筑主体结构做好合理布局，受力明确，抗震性好。选择合理的建筑主体结构能够在保证建筑结构稳定性的同时，节约工程造价。 3.4合理选择建筑结构的刚度

基于Ansys的框架结构优化设计

基于Ansys的框架结构优化设计 摘要：在实际工程问题中，经常遇到各种框架结构的优化问题，大多基于Ansys分析软件求解已知载荷、稳定条件下的框架结果最小体积，即最小质量以减少施工材料控制最优成本。本文通过对一常见的矩形截面的四边框架结构进行优化设计分析，提高了对Ansys分析软件的运用能力，加深了对起运行机制的认识，为以后熟练地运用该软件打下基础。 关键词：框架结构矩形截面优化设计Ansys软件 1.工程背景 框架结构由于具有自重轻、造价较低和施工简单等诸多优点，在包括大型工业厂房在内的工程领域得到了广泛的应用[1].随着对设计质量要求的不断提高，人们一直在探索如何在保证框架结构安全的前提下，减少材料用量，降低成本，以满足经济性的要求。 框架结构的优化设计思想从MICHELL[2]框架理论的出现至今已有近百年历史，BENDSOE等[3]提出的多工况拓扑优化方法标志着对优化设训一研究进入了新的阶段。国内学者也在该领域进行了大量的研究，如隋允康等对框架结构离散变量的优化问题进行了研究，通过函数变换找到了满应力的映射解，并结合框架拓扑优化特点提出了ICM(独立、连续、映射)方法[4]。随着计算机技术的发展，人们开始利用ANSYS等软件对工程结构进行有限元分桁和优化设计。APDL是ANSYS参数化设计语言，它是一种通过参数化变量方式建立分桁模型的脚本语言[5-6], ANSYS提供了两种优化方法即零阶方法和一阶方法。除此之外，用户还可以利用自己开发的优化算法替代ANSYS本身的优化方法进行优化设计。本文利用APDL优化设计模块编制用户程序，对一个实际框架进行了结构优化。结果表明运用ANSYS进行框架结构优化设训一可以有效提高设计质量，具有广泛的运用前景。 2.框架结构模型假设 在工程应用中，实际的析架结构形式和各杆件之间的联结以及所用的材料是