基于OptiStruct的前桥法兰盘轮毂结构拓扑优化
基于OptiStruct的前桥法兰盘轮毂结构拓扑优化Structure topology optimization design of the front axle flange hub based on OptiStruct
苏新涛韩培华
(北汽福田汽车股份有限公司工程车事业部技术中心长沙410129)
摘要：本文针对某法兰盘轮毂结构轻量化设计问题，基于OptiStruct运用拓扑优化的方法，提出一种新型优化方案，该优化方案结构应力水平低、应力分布更加均匀、质量较轻，其结构体现了拓扑优化的效果，从而实现了提升产品结构性能、轻量化及美观化设计的目的。
关键字：OptiStruct 轻量化拓扑优化
Abstract: Aiming at the flange lightweight hub structure design and using OptiStruct based topology optimization method, a new optimization scheme is proposed, the optimized structure stress level is low, the stress distribution is more uniform, the quality is light, the structure reflects the topology optimization results, so as to realize the lightweight and aesthetic design while improving performance.
Key words: OptiStruct, Lightweight, topology optimization
1 前言
法兰盘轮毂主要承载汽车的重力以及为轮胎的传动提供精确的引导，是关键安全部件之一，在设计时一定要确保其结构的强度、刚度等基本性能指标。如果保守设计，则增加开发及生产成本，不利于提升产品竞争力；如果设计单薄，往往造成强度、刚度性能不足，可能造成其断裂，严重影响车辆的安全性。
如何寻求最佳的成本与性能之间的平衡是阻碍许多企业快速成长的困惑之一。由于生产成本的压力，很多企业已经意识到轻量化开发的重要性，在确保性能的前提下材料的减重以及材料替换等。产品轻量化设计仅依靠多年的设计经验是不够的，更多的还需要性能数据作为技术支撑。Altair公司HyperWorks产品的OptiStruct模块为我们提供了这种非常便捷的解决途径和技术体系。
OptiStruct模块是以面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，提供了多种强大的优化功能。其中，拓扑优化(Topology)是产品轻量化设计中最常用的优化方法之一，它是一种在给定的设计区域内寻求最优材料分布问题的设计方法。本文利用OptiStruct对某法兰盘轮毂进行拓扑优化设计，在保证强度、刚度性能的前提下，通过定义设计目标、约束条件等来实现最佳的材料布局。根据优化分析结果重新构建一种新型优化方案，并以此验证分析，最终通过对法兰盘轮毂优化前后性能对比，达成拓扑优化效果，实现了法兰盘轮毂轻量化设计、衍生一项实用新型专利、提升产品竞争力等目的。
2 原法兰盘轮毂结构有限元分析
根据三维模型对法兰盘轮毂结构进行有限元建模，如图1所示。
A）轮胎、轮毂及前轴总成模型 B）法兰盘轮毂模型（25.6Kg）
图1轮辋结构有限元模型
法兰盘轮辋结构以5mm网格划分四面体实体单元，各部件之间已考虑非线性接触和螺栓预紧力；在前轴中心处施加对称约束，考虑轮胎与地面接触；载荷条件图2及表1所示。轮毂所采用的材料为QT450-10，其力学性能参数如表2所示。
图2 轮毂受载条件示意图
表1 法兰盘轮毂受载条件
序号工况载荷备注
1 空凹路况垂向载荷G=81250N 动载荷系数取2.5
2 侧滑工况
受垂向载荷G=56550N 侧滑转移系数1.74 受横向载荷F=39585N 路面附着系数0.7
表2 QT450-10材料力学性能参数
材料
密度
（T/mm3）
弹性模量
（GPa）
泊松比
屈服强度
（MPa）
抗拉极限（MPa）
QT450-10 7.0×10-9
210 0.3 ≥310 ≥450
根据上述定义，原结构法兰盘轮毂结构方案分析结果，如表3、图3、图4所示。
表3 原法兰盘轮毂结构分析结果
原结构
法兰盘
轮毂
质量（Kg ）
变形（mm ） 应力（MPa ）
空凹冲击工况 侧滑工况
Von Mises 应
力
拉应力
Von Mises 应力
拉应力
25.6 0.46
323
274
323
276
A ）VonMises 应力分布云图
B ）拉应力分布云图 图3 在空凹冲击工况下，原法兰盘轮毂结构应力分布云图（图中单位MPa ）
A ）VonMises 应力分布云图
B ）拉应力分布云图 图4 在侧滑工况下，原法兰盘轮毂结构应力分布云图（图中单位MPa ）
从分析结果来看，A ）原法兰盘轮毂结构在空凹冲击、侧滑工况下的应力水平及应力分布基本一致；B ）原法兰盘轮毂结构的最高VonMises 应力值均为323MPa ，均位于外部加强筋，其应力水平略高于材料的屈服强度（≥310MPa ）；C ）原法兰盘轮毂结构的最高拉应力值分别为274MPa 、276MPa ，均位于内部加强筋，其应力水平远低于材料的抗拉强度（≥450MPa ）；D ）原法兰盘轮毂结构应力分布不均。
3 法兰盘轮毂结构拓扑优化及分析
本次拓扑优化设置参数如下：设计目标：加权挠度最小，即该法兰盘轮毂结构刚度最大。约束条件：体积分数的上限值为0.35，即控制优化后所保留的体积，以实现质量减少。
优化前，首先对轮毂进行空间填充，如图5所示，概念模型中，黄色部分为优化设计空间，蓝色部分为非优化设计空间。
图5 法兰盘轮毂填充模型
通过62步迭代后，拓扑优化结果如图5所示。
图6 拓扑优化概念设计模型
由拓扑优化改进设计模型生成精细化设计模型，如图7所示。
图7 最终优化设计模型
表4 拓扑优化方案结构分析结果
描述
重量（Kg ） 工况 变形（mm ） Von Mises 应力（MPa ）
拉应力（MPa ）
拓扑优化方案
17.2
空凹冲击 0.43 229 233 侧滑
0.43
229
234
A ）VonMises 应力分布云图
B ）拉应力分布云图 图8 法兰盘轮毂优化结构应力分布云图（图中单位MPa ）
从以上图表可以看出：优化后，法兰盘轮毂结构应力分布均匀，其最高Von Mises 应力值及最高拉应力分别为229MPa 、233MPa ，比原法兰盘轮毂结构强度性能提升29%，改进效果非常显著，且刚度性能提升6.5%，确保了性能设计要求。另外，优化后法兰盘轮毂质量17.2Kg ，比原法兰盘轮毂
结构（质量25.6Kg）降重8.4Kg，降重率为33%；
目前，该优化方案已广泛应用于市场，根据笔者所在单位2012年使用该法兰盘轮毂的整车销量（约5万辆）以及QT450-10的当前市场价（约8元/Kg）推算，采用优化法兰盘轮毂后能实现经济效益高达672万元。因此，采用基于OptiStruct的拓扑优化方法对法兰盘轮毂结构轻量化设计具有十分重要的意义。
4 总结
表5 法兰盘轮毂优化前后分析结果对比
描述
重量
（Kg）
工况
变形
（mm）
Von Mises应
力（MPa）
拉应力
（MPa）
原结构25.6 空凹冲击0.46 323 274 侧滑0.46 323 276
拓扑优化结构17.2 空凹冲击0.43 229 233 侧滑0.43 229 234
本文通过使用OptiStruct完成了对法兰盘轮毂结构的拓扑优化设计，在保证刚度性能的前提下，强度性能提升29%且减重8.4Kg（减重率33%），优化效果相当明显，且取得了非常可观的经济效益。本文的主旨在于抛砖引玉，以一个法兰盘轮毂的优化为引子，来说明基于OptiStruct对产品轻量化设计的指导意义，为企业快速成长、提升产品竞争力提供参考依据。
5 参考文献
[1] 苏新涛,陈志.某车型发动机悬置后支架优化设计和疲劳分析.计算机辅助工程.2011,20(4):49-52.
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[3] 周传月,腾万秀,张俊堂.工程有限元与优化分析应用实例教程[M].北京：科技出版社，2005.
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21:120-127.
基于拓扑优化的车身结构研究---经典
基于拓扑优化的车身结构研究 瞿元王洪斌张林波吴沈荣 奇瑞汽车股份有限公司，安徽芜湖，241009 摘要：随着CAE技术的发展，虚拟仿真技术在汽车开发中的作用也愈来愈显著。而前期工程阶段，如何布置出合理的车身骨架架构，一直是个相对空白的地带，也是整车正向开发过程中绕不过的坎。尽管研发工程师根据经验，参照现有车型的结构特点，也能进行车身骨架架构的设定，但总是缺乏有效手段直观地反映不同车型结构布置的特点。本文用拓扑优化的方法，从结构基本特征的角度来审视这一问题，并运用该方法对某SUV车身结构进行研究，获得一些直观性的结论。 关键词：车身,前期工程,拓扑优化 1引言 随着对整车研发过程认识的加深，以及对正向开发过程的探索，在车型开发前期，对车身结构做出更合理的规划显得愈来愈重要。常规的研发思路之一是通过参考已有车型的结构，经过适当的修改，形成新的结构，并用于新车型中。但是对于原始车型的设计思路、结构布置的原因等缺乏系统的理解，或者理解不深，往往在更改过程中产生新的问题。为了部分解决上述问题，本文从结构拓扑优化的角度，对某SUV 车型车身结构的总体布置进行初步探讨，以期加深对结构布置的理解。 2研究方法概述 合理化的车身结构，是满足整车基本性能的重要保障。为了能够实现结构的最优布置，文献[1]使用了拓扑优化工具来布置车身结构。其基本思路是从造型以及车内空间布置出发，建立车身空间的基础网格模型，然后根据一定的工况要求，对基础网格进行拓扑分析，并根据拓扑结果建立梁、板壳模型，并进行多项性能的优化，从而实现车身结构的正向开发。本文借助于该思想，建立研究对象的结构空间包络，并对该包络进行拓扑分析，然后将仿真结果与原始结构进行比较，寻找车身结构中的关键点，推测初始结构可能的布置思想，从而加深对该研究思路的理解。其基本过程如下图所示：
用三角形单元建立拓扑优化类桁架连续体
用三角形单元建立拓扑优化类桁架连续体 作者：闫凯， 周克民， YAN Kai， ZHOU Ke-min 作者单位：华侨大学,土木工程学院,福建,泉州,362021 刊名： 华侨大学学报（自然科学版） 英文刊名：JOURNAL OF HUAQIAO UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) 年，卷(期)：2009，30(2) 被引用次数：0次 参考文献(12条) 1.MICHELL A G M The limits of economy of material in framestucture 1904(06) 2.COX H L The design of structures of least weight 1965 3.HEGEMINER G A.PRAGER W On michell trusses 1969(02) 4.ROZVANY G I N Some shortcomings in michell trusses theory 1996(04) 5.ROZVANY G I N Partial relaxation of the orthogonality requirement for classical michell trusses 1997(04) 6.杨德庆.隋允康桁架结构拓扑优化设计密度变量的两种模式 1997(05) 7.BENDSOE M P.KIKUCHI N Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method 1988(02) 8.程耿东关于桁架结构拓扑优化中的奇异最优解[期刊论文]-大连理工大学学报 2000(04) 9.隋允康.彭细荣结构拓扑优化ICM方法的改善[期刊论文]-力学学报 2005(02) 10.隋允康.杨德庆.孙焕纯统一骨架与连续体的结构拓扑优化的理论与方法[期刊论文]-计算力学学报 2000(01) 11.周克民.胡云昌利用有限元构造Michell桁架的一种方法[期刊论文]-力学学报 2002(06) 12.周克民.李霞长悬臂桁架受横向集中力的拓扑优化 2009(01) 相似文献(10条) 1.期刊论文赵丹.周克民.ZHAO Dan.ZHOU Ke-min基于类桁架连续体的柔性机构拓扑优化设计-福州大学学报（自 然科学版）2008,36(3) 以各向异性类桁架连续体为材料模型,以材料在结点位置的密度和主轴方向作为设计变量.结点在指定方向的位移为目标函数,根据有限元分析得到的应力应变场,采用优化准则法优化材料分布形成类桁架连续体·在微机电系统中可直接用各向同性材料,还可通过引入微小间隙使各向同性材料具有方向性.因材料在设计域内是连续分布的,不需要抑制中间密度,避免了其他拓扑优化方法中普遍存在的棋盘格现象、网格依赖性以及局部极值等数值不稳定问题.提供几个算例,并和已有结果进行比较,说明了此方法的有效性. 2.会议论文周克民.李霞类桁架连续体结构的离散化方法2009 本文研究了类桁架连续体离散化杆系结构的方法。根据单元内杆件在各结点位置的密度和方向的相对关系判断杆件分布区域类型（如T、S 等区域）。选择T区域杆件密度最大的结点作为初始点。在初始点沿杆件方向在单元内画直线与单元边界相交。根据该单元边界两端结点的杆件方向插值得到该交点的方向。再沿该交点的杆件方向在下一单元内画直线。逐个单元直到设计域边界得到折线（近似曲线）。根据每段曲线的横向杆件密度、方向改变角等在曲线上插入结点。在这些结点沿另一方向画另一条曲线，如此反复。最后找出所有曲线的交点。将这些交点之间的曲线用直线代替得到杆系结构。数值算例的结果与解析解十分接近。这种方法没有数值计算不稳定问题。 3.期刊论文张莉.周克民.Zhang Li.Zhou Kemin基于类桁架连续体的结构拓扑优化方法与应用-应用力学学报 2007,24(3) 以各向异性连续体为基结构,采用类桁架连续体材料模型进行结构拓扑优化.以材料在结点位置的密度和方向作为优化设计变量,使材料在设计域内连续分布.并以此建立材料的弹性矩阵和刚度矩阵.优化过程没有抑制中间密度,这从根本上避免了许多拓扑优化方法普遍存在的单元铰接、棋盘格现象以及单元依赖性等数值不稳定问题.采用满应力准则法,借助有限元结构分析,经过少量迭代,建立优化的材料连续分布场,即类桁架连续体结构.由于首先建立的拓扑优化结构是各向异性连续体,从而得到更大优化空间.然后可以结合工程实际需要将其转化为离散的拓扑优化杆系结构.最后,以1个经典Michell桁架和3种形式的拱桥为数值算例,演示了其结构拓扑优化过程. 4.期刊论文周克民.李霞.ZHOU Ke-min.LI Xia长悬臂桁架受横向集中力的拓扑优化-华侨大学学报（自然科学版 ）2009,30(1) 用解析方法推导拓扑优化最小重量长悬臂桁架.桁架在应力约束下,自由端受横向集中力作用,桁架宽度为常数,它的节长、结点坐标、腹杆和弦杆的角度,以及所有杆的横截面尺寸均为设计变量.分析结果表明,拓扑优化桁架中的各节腹杆的位置和横截面面积相同,中间结点位于每节1/4位置.当结构长度趋于无限长时,腹杆趋于30°,60°,相对45°桁架的体积差别不大,与类桁架连续体的体积差别也很小.
多工况应力约束下连续体结构拓扑优化设计
多工况应力约束下连续体结构拓扑优化设计ΞTOPOLOG Y OPTIMIZATION DESIGN OF THE CONTINUUM STRUCTURE FOR MU L TIPL E LOADING CON DITIONS WITH STRESS CONSTRAINTS 王 健ΞΞ (山东理工大学交通与车辆工程学院,淄博255012) 程耿东 (大连理工大学工程力学研究所,大连116024) WAN G Jian (Traffic and Vehicle Engineering School,Shandong Univer sity o f Technology,Zibo255012,China) CHEN G Gengdong (Research Institute o f Engineering Mechanics,Dalian Univer sity o f Technology,Dalian116024,China) 摘要 建立多工况应力约束条件下连续体结构拓扑优化的数学模型,给出求解方法。采用包络法处理大量的应力约束,用改进的满应力法进行求解,方法简单、实用。提出的分层优化技术能使最优结构更为清晰。分层优化方法的基本思想是按载荷大小分为几个层次,后面层次的拓扑优化以前面层次得到的最优拓扑为基础,通过逐层优化,最终得到最优结构。分层优化时主要考虑属于本层载荷的影响,避免大小载荷混在一起,最优拓扑模糊不清的问题。为解决各层优化单元厚度相差太大,易造成结构刚度矩阵奇异的问题,提出对相应参数的调整方法。算例表明该方法是有效的。 关键词 结构拓扑优化 应力约束 连续体结构 满应力法 分层优化技术 中图分类号 T B114.3 T B115 Abstract The mathematical m odel of topology optimization design of the continuum structure for multiple loading conditions with stress constraints are presented in the paper,and the s olving method is als o given.The problem is s olved by m odified fully stress method combined with a bundle method to deal with plentiful stress constraints,both the method are sim ple and practical.The multilevel opti2 mization technique is proposed in this paper to make clearer optimal topology of structures.The main idea of the multilevel optimization method is to partition the load cases into several levels according to their magnitude.In every level,we mainly consider the in fluence of the loads belonged to this level.In this way,we av oid the blending of various loads and the dim topological structure.T o s olve the prob2 lem that the single structure stiffness matrix caused by the too big dispersion of element thickness between different levels,it proposed the adjustive method of relevant parameters.Numeral com putations show that the method is effective and efficient. K ey w ords Structure topology optimization;Stress constraints;Continuum structure;Fully stress method;Multilevel optimization technique Correspondent:WANG Jian,E2mail:wangjian0721@https://www.wendangku.net/doc/7a4026888.html,,Fax:+86253322313164 The project supported by the Natural Science F oundation of Shandong Province,China(N o.Y96F03085). Manuscript received20010920,in revised form20011225. 1 引言 在多工况、多约束情况下,结构的最优拓扑往往是超静定的,必须考虑变形协调条件,其数学模型是一个非线性规划问题。文献[1～4]是离散结构拓扑优化方面成功采用非线性规划方法求解的范例。连续体结构拓扑优化方面也有考虑多工况情况的文章发表[5,6],但这方面的工作不多,且没有研究应力约束问题。实际工程结构多半在多种工况下工作,应力约束是最基本的约束条件,所以研究多工况应力约束下连续体结构的拓扑优化问题是非常必要的。 多工况下受到应力约束的结构拓扑优化问题的数学模型可以描述为式(1),用数学规划法求解时自然将其作为一个多约束问题来处理;连续体结构拓扑优化的设计变量很多,采用文献[1～4]中的数学规划方法求解意味着将有浩大的计算工作量,因此一般采用准则法———满应力法解决。用满应力法求解多工况问题时往往使用包络法处理大量的应力约束[7]。包络法的基本思想是把每一个应力约束先单独地考虑,求出在这个应力约束下改进后的新设计变量,然后对每一个设计变量,在所有的值中挑出最大的作为新的设计。这种方法可以保证应力约束条件满足,并且也易于将 机械强度 Journal of Mechanical Strength2003,25(1):055～057 Ξ ΞΞ王 健,男,1962年7月生,山东省济南市长清县人,汉族。山东理工大学交通与车辆工程学院院长,教授,博士,长期从事结构优化研究,发表相关论文20余篇。 20010920收到初稿,20011225收到修改稿。山东省自然科学基金资助项目(Y96F03085)。
结构拓扑优化的发展现状及未来
结构拓扑优化的发展现状及未来 王超 中国北方车辆研究所一、历史及发展概况 结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，它在计算结构力学中已经被认为是最富挑战性的一类研究工作。目前有关结构拓扑优化的工程应用研究还很不成熟，在国外处在发展的初期,尤其在国内尚属于起步阶段。1904 年Michell在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念。自1964 年Dorn等人提出基结构法,将数值方法引入拓扑优化领域，拓扑优化研究开始活跃。20 世纪80 年代初，程耿东和N. Olhoff在弹性板的最优厚度分布研究中首次将最优拓扑问题转化为尺寸优化问题，他们开创性的工作引起了众多学者的研究兴趣。1988年Bendsoe和Kikuchi发表的基于均匀化理论的结构拓扑优化设计，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局面。1993年和提出了渐进结构优化法。1999年Bendsoe和Sigmund证实了变密度法物理意义的存在性。2002 年罗鹰等提出三角网格进化法，该方法在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。 二、拓扑优化的工程背景及基本原理 通常把结构优化按设计变量的类型划分成三个层次：结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化。尺寸优化和形状优化已得到充分的发展，但它们存在着不能变更结构拓扑的缺陷。在这样的背景下，人们开始研究拓扑优化。拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。寻求一个最佳的拓扑结构形式有两种基本的原理：一种是退化原理，另一种是进化原理。退化原理的基本思想是在优化前将结构所有可能杆单元或所有材料都加上，然后构造适当的优化模型，通过一定的优化方法逐步删减那些不必要的结构元素,直至最终得到一个最优化的拓扑结构形式。进化原理的基本思想是把适者生存的生物进化论思想引入结构拓扑优化，它通过模拟适者生存、物竞天择、优胜劣汰等自然机理来获得最优的拓扑结构。 三、结构拓扑优化设计方法 目前常使用的拓扑优化设计方法可以分为两大类：退化法和进化法。 退化法即传统的拓扑优化方法，一般通过求目标函数导数的零点或一系列迭代计算过程求最优的拓扑结构。目前常用于拓扑优化的退化法有基结构方法、均匀化方法、变密度法、变厚度法等。 基结构方法（GSA）的思路是假定对于给定的桁架节点，在每两个节点之间用杆件连结起来得到的结构称为基结构。按照某种规则或约束,将一些不必要的杆件从基本结构中删除，认为最终剩下的构件决定了结构的最佳拓扑。基结构方法更适合于桁架和框架结构的拓扑优化。基结构法是在有限的子空间内寻优，容易丢失最优解，另外还存在组合爆炸、解的奇异性等问题。 均匀化方法（HA）引入微结构的单胞，通过优化计算确定其材料密度分布，并由此得出最优的拓扑结构。均匀化方法主要应用于连续体的拓扑优化设计，它不仅能用于应力约束和位移约束，也能用于频率约束。目前用均匀化方法来进行拓扑优化设计的有一般弹性问题、热传导问题、周期渐进可展曲面问题、非线性热弹性问题、振动问题和骨改造问题等。 变密度法是一种比较流行的力学建模方式，与采用尺寸变量相比，它更能反映拓
桁架结构分析
2013-2014年度学生研究计划（SRP）“桁架结构模型结构优化及试验” 结题论文 姓名骆辉军 学院土木与交通学院 专业土木工程（卓越全英班） 学号 201230221450 指导老师范学明 时间 2014年10月
一.实验背景 随着科学技术的发展和计算机软件技术的应用，应用相关的软件来进行桁架结构模型的优化已经可以成为现实。桁架结构中的桁架指的是桁架梁，是格构化的一种梁式结构。桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。由于大多用于建筑的屋盖结构，桁架通常也被称作屋架。在桥梁结构中，桁架结构也应用广泛。只受结点荷载作用的等直杆的理想铰结体系称桁架结构。它是由一些杆轴交于一点的工程结构抽象简化而成的。合理地设计桁架结构，就能够最大限度地利用材料的强度，起到减轻桁架重量，节省材料的目的，从而也能为工程实际应用提供相关的依据和参考。 但桁架的结构模型形式千变万化，仅仅从理论上分析桁架的受力特征和破坏特征，而不进行相应的试验研究是无法取得实质性的进展的。正是基于这样一个原则，我们需要在理论研究的基础上通过试验来优化桁架的结构模型，在各式各样的桁架结构中挑选出受力合理的结构，最大限度地使材料的强度得以利用。 研究桁架结构模型优化的意义 桁架结构中，各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。结构布置灵活，应用范围非常广。桁架梁和实腹梁（即我们一般所见的梁）相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端，增大了内力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥，从而适用于各种跨度的建筑屋盖结构。更重要的意义还在于，它将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态，使我们能够直观地了解力的分布和传递，便于结构的变化和组合。 由于杆件之间的互相支撑作用，且刚度大，整体性好，抗震能力强，所以能够承受来自多个方向的荷载。而且具有结构简单，运输方便等优点，其应用于各个工程领域。古代木构建筑，而今的2008北京奥运会的主体育馆鸟巢；太空中的大型可展天线，地面上的跨海大桥，随处都可见到桁架的身影。由于桁架的结构模型千变万化，不同的桁架结构形式对桥梁或者屋架的受力特征有很大的影响，因而，研究桁架结构模型的优化具有重大的意义。 二．实验的相关资料 1.桁架结构的常见构造方式 桁架指的是桁架梁，是格构化的一种梁式结构，即一种由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构。桁架由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度。由于大多用于建筑的屋盖结构，桁架通常也被称作屋架。 桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。其主要结构特点在于，各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。结构布置灵活，应用范围非常广。桁架梁和实腹梁（即我们一般所见的梁）相
桁架结构优化设计
桁架结构优化设计 一般所谓的优化，是指从完成某一任务所有可能方案中按某种标准寻找最佳方案。结构优化设计的基本思想是，使所设计的结构或构件不仅满足强度、刚度与稳定性等方面的要求，同时又在追求某种或某些目标方面（质量最轻，承载最高，价格最低，体积最小）达到最佳程度。 对于图1-1的结构，已知L=2m，x b=1m，载荷P=100kN，桁架材料的密度r=7.7x10-5N/mm3，[δt]=150Mpa，[δc]=100Mpa，y b的范围：0.5m≦y b≦1.5m。 图1-1 桁架结构 设计变量与目标函数（质量最小）
预定参数（设计中已确定，设计者不能任意修改的量）：L ， x b ，P ，r ，[δt ] ，[δc ] 设计变量（可由设计者调整的量）y b ，A 1，A 2 约束条件（对设计变量的约束条件） （1） 强度条件约束（截面、杆件的强度） （2） 几何条件约束（B 点的高度范围） 目标函数：桁架的质量W （最小） 解：1. 应力分析 0sin sin 02112=--=∑θθN N F x 0cos cos 02112=---=∑P N N F y θθ 由此得： )sin(sin 2111θθθ+= p N ) sin(sin 212 2θθθ+- =p N 由正弦定理得： l y l x p N B B 2 1) (2 -+=
l y x p N B B 2 22 += 由此得杆1和2横截面上的正应力 1 2 1) (2 lA y l x p B B -+= σ 2 2 22 lA y x p B B += σ 2.最轻质量设计 目标函数（桁架的质量） ))((2 2 2 1 2 2 B B y x A y l x A W B B ++-+=γ （1-1） 约束条件 [][]? ? ? ?? ????? ????≤+≤-+c B t B lA y x p lA y l x p B B σσ2 2 1 2 22 ) ( （1-2） 0.5≦y b ≦1.5（m ） （1-3） （于是问题归结为：在满足上述约束条件下，确定设计变量y b ，A 1，A 2，使目标函数W 最小。） 3．最优解搜索 采用直接实验法搜索。首先在条件（1-3）所述范围内选取一系列y b 值，由强度条件（1-2）确定A 1与A 2，最后根据式（1-2）计算相应W ，在y b -W 曲线中选取使W 最小的y b 与相应的A 1与A 2，即为本问题的最优解。 4．利用MA TLAB 编程 （1）分析目标函数和约束条件
连续体结构拓扑优化方法及存在问题分析
编号：SY-AQ-00556 ( 安全管理) 单位：_____________________ 审批：_____________________ 日期：_____________________ WORD文档/ A4打印/ 可编辑 连续体结构拓扑优化方法及存 在问题分析 Topology optimization method of continuum structure and analysis of existing problems
连续体结构拓扑优化方法及存在问 题分析 导语：进行安全管理的目的是预防、消灭事故，防止或消除事故伤害，保护劳动者的安全与健康。在安全管理的四项主要内容中，虽然都是为了达到安全管理的目的，但是对生产因素状态的控制，与安全管理目的关系更直接，显得更为突出。 文章深入分析国内外连续体结构拓扑优化的研究现状，介绍了拓扑优化方法的发展及实现过程中存在的问题。对比分析了均匀化方法，渐进结构优化法，变密度法的优缺点。研究了连续体结构拓扑优化过程中产生数值不稳定现象的原因，重点讨论了灰度单元，棋盘格式，网格依赖性的数值不稳定现象，并针对每一种数值不稳定现象提出了相应的解决办法。 结构拓扑优化设计的主要对象是连续体结构，1981年程耿东和Olhof在研究中指出：为了得到实心弹性薄板材料分布的全局最优解，必须扩大设计空间，得到由无限细肋增强的板设计。此研究被认为是近现代连续体结构拓扑优化的先驱。 目前，国内外学者对结构拓扑优化问题进行了大量研究，这些
研究大多数建立在有限元法结构分析的基础上，但由于有限元法中单元网格的存在，结构拓扑优化过程中常常出现如灰度单元，网格依赖性和棋盘格等数值不稳定的现象。本文介绍了几种连续体结构拓扑优化方法及每种方法存在的问题，并提出了相应的解决办法。 1.拓扑优化方法 连续体结构拓扑优化开始于1988年Bendoe和Kikuchi提出的均匀化方法，此后许多学者相继提出了渐进结构优化方法、变密度法等拓扑优化数学建模方法。 1.1.均匀化方法 均匀化方法即在设计区域内构造周期性分布的微结构，这些微结构是由同一种各向同性材料实体和孔洞复合而成。采用有限元方法进行分析，在每个单元内构造不同尺寸的微结构，微结构的尺寸和方向为拓扑优化设计变量。1988年Bendsoe研究发现，通过在结构中引入具有空洞微结构的材料模型，将困难的拓扑设计问题转换为相对简单的材料微结构尺寸优化问题。 很多学者发展了均匀化方法，Suzhk进行了基于均匀化方法结
拓扑优化
结构拓扑优化设计现状及前景 目前, 最优化设计理论和方法在机械结构设计中得到了深入的研究和广泛的应用。所谓优化设计就是根据具体的实际问题建立其优化设计的数学模型, 并采用一定的最优化方法寻找既满足约束条件又使目标函数最优的设计方案。根据优化问题的初始设计条件, 目前结构优化技术有四大领域: 1) 尺寸优化; 2) 形状优化; 3) 拓扑与布局优化; 4) 结构类型优化。结构尺寸优化是在结构的拓扑确定的前提下, 首先用少量尺寸对结构的某些变动进行表达, 如桁架各单元的横截面尺寸、某些节点位置的变动等, 然后在此基础上建立基于这些尺寸参数的数学模型并采用优化方法对该模型进行求解得到最优的尺寸参数。在尺寸优化设计中, 不改变结构的拓扑形态和边界形状, 只是对特定的尺寸进行调整, 相当于在设计初始条件中就增加了拓扑形态的约束。而结构最初始的拓扑形态和边界形状必须由设计者根据经验或实验确定, 而不能保证这些最初的设计是最优的, 所以最后得到的并不是全局最优的结果。结构形状优化是指在给定的结构拓扑前提下, 通过调整结构内外边界形状来改善结构的性能。以轴对称零件的圆角过渡形状设计的例子。形状设计对边界形状的改变没有约束,和尺寸优化相比其初始的条件得到了一定的放宽,应用的范围也得到了进一步的扩展。拓扑优化设计是在给定材料品质和设计域内,通过优化设计方法可得到满足约束条件又使目标函数最优的结构布局形式及构件尺寸。拓扑设计的初始约束条件更少, 设计者只需要提出设计域而不需要知道具体的结构拓扑形态。拓扑设计方法是一种创新性
的设计方法, 能为我们提供一些新颖的结构拓扑。目前, 拓扑设计理论在柔性受力结构、MEMS 器件及其它柔性微操作机构的设计中得到了广泛的研究。 结构拓扑优化的发展概况 结构拓扑优化包括离散结构的拓扑优化和连续变量结构的拓扑优化。近10 年来, 结构拓扑优化设计虽然取得了一些进展, 但大部分是针对连续变量的, 关于离散变量的研究为数甚少。由于离散变量优化的目标函数和约束函数是不连续、不可微的, 可行域退化为不连通的可行集, 所以难度远大于连续变量优化问题。在离散结构中, 桁架在工程中的应用较为广泛, 由于其重要性, 也由于其分析比较简单, 桁架结构的拓扑优化在文献中研究得最多. 结构拓扑优化的历史可以追溯到1904 年Michell提出的桁架理论, 但这一理论只能用于单工况并依赖于选择适当的应变场, 不能应用于工程实际。1964 年Dorn、Gomory、Greenberg 等人提出基结构法( ground structure approach) , 将数值方法引入该领域, 此后拓扑优化的研究重新活跃起来, 陆续有一些解析和数值方面的理论被 提出来。所谓基结构就是一个由结构节点、荷载作用点和支承点组成的节点集合, 集合中所有节点之间用杆件相连的结构。该方法的基本思路是: 从基结构的模型出发, 应用优化算法( 数学规划法或准则法) , 按照某种规划或约束, 将一些不必要的杆件从基结构中删除, 例如截面积达到零或下限的杆件将被删掉, 并认为最终剩下的杆件 决定了结构的最优拓扑。因此应用基结构, 可以将桁架拓扑优化当作
具有多种约束的连续体结构拓扑优化
文章编号:1004Ο8820(2003)02Ο0138206 具有多种约束的连续体结构拓扑优化 江允正,王子辉,初明进 (烟台大学土木工程系,山东烟台264005) 摘要:对于具有多种约束条件的连续体结构的拓扑优化设计,本文提出一种通用优化方 法:首先用优化方法确定微孔或称为基点的位置,然后再扩大微孔并确定其边界.文中对 于具有应力和位移约束的几个平面问题进行拓扑优化,计算结果十分令人满意. 关键词:结构拓扑优化;结构优化;连续体; 中图分类号:TP391.72 文献标识码:A 近年来,Bendsoe 和K ikuchi [1]等广泛采用连续体拓扑优化的均匀方法.首先从连续介质中人为地引进某一形式的微结构,例如周期性分布的微孔洞;然后用以数学中扰动理论为基础的均匀化方法这一数学工具建立材料的宏观弹性性质和微结构尺寸的关系,连续介质的拓扑优化就转化为决定微结构尺寸最优分布的尺寸优化问题,可以采用成熟的尺寸优化算法.迄今为止的均匀化方法还不能给出带有微观结构的材料的宏观许用应力和微结构尺寸的关系,因此到目前为止均匀优化方法可以求解的拓扑优化问题还很有限.均匀化方法的另一缺点是求得的最终设计可能具有很不清晰的拓扑,即结构中有的区域是相对密度介于0和1之间的多孔介质;文献[2]提出修改的满应力法来求解受应力约束的平面弹性体的拓扑优化问题,也仅能考虑应力约束问题;文献[3]提出统一骨架与连续体的结构拓扑优化的ICM 理论与方法.这些方法,基本上都采用有限元法进行结构分析,为了使边界光滑,不得不划分很细的单元,对于一般平面问题,单元数目都在数千个之上,计算效率低.总之,拓扑优化是最具挑战性而又困难的问题,优化方法仍然处在发展初期.这一领域迫切需要取得进展,开发通用的算法仍是挑战. 如上所述,采用均匀方法时,首先从连续介质中人为地引进某一形式的微结构,例如周期性分布的微孔洞.我们认为微孔洞的数量和位置应该用优化方法确定.并称这种微孔的中心叫做删除区的基点.然后扩大微孔,用优化方法确定孔的边界.于是,连续体结构的拓扑优化,可以归结为确定删除区的基点位置及其边界的问题. 1 方 法 对于一个二维连续体,当给定外载和支承位置时,满足应力、位移等各种约束条件下的结构最优拓扑问题,都可以按如下步骤来求解: 收稿日期:2002-12-17 作者简介:江允正(1942-),男,湖南衡阳人,教授,主要从事结构优化方向教学与研究工作. 第16卷第2期 烟台大学学报(自然科学与工程版)Vol.16No.22003年4月Journal of Y antai University (Natural Science and Engineering Edition ) Apr.2003
基于MATLAB的桁架结构优化设计
基于MAT LAB 的桁架结构优化设计 林 琳 张云波 (华侨大学土木系福建泉州 362011) 【摘 要】 介绍了基于BP 神经网络的全局性结构近似分析方法,解决了结构优化设计问题中变量的非线性映射问题。在此基础上,利用改进的遗传算法,对桁架结构在满足应力约束条件下进行结构最轻优化设计。利用 Matlab 的神经网络工具箱,编程求解了三杆桁架优化问题。 【关键词】 改进遗传算法;BP 神经网络;结构优化设计;满应力准则 【中图分类号】 T U20114 【文献标识码】 A 【文章编号】 100126864(2003)01-0034-03 TRUSS STRUCTURA L OPTIMIZATON BASE D ON MAT LAB LI N Lin ZH ANG Y unbo (Dept.of Civil Engineering ,Huaqiao University ,Quanzhou ,362011) Abstract :Optimal structural design method based on BP neural netw ork and m odified genetic alg orithm were proposed in this paper.The high parallelism and non -linear mapping of BP neural netw ork ,an approach to the global structural approximation analysis was introduced.It can s olve the mapping of design variables in structural optimization problems.C ombining with an im proved genetic alg orithm ,the truss structure is optimized to satis fy the full stress criteria.Under the condition of MAT LAB 5.3,an exam ple of truss structure has been s olved by this method. K ey w ords :G enetic alg orithm ;BP neural netw ork ;Structural optimization design ;Full stress principle 结构优化设计,就是在满足结构的使用和安全要求的基础上,降低工程造价,更好地发挥投资效益。传统的优化方法有工程法和数学规划法,其难以解决离散变量问题,对多峰问题容易陷入局部最优,且对目标函数要求有较好的连续性或可微性。而近年来提出的基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索遗传算法对所解的优化问题没有太多的数学要求,可以处理任意形式的目标函数和约束,对离散设计变量的优化问题尤为有效。进化算子的各态历经性使得遗传算法能够非常有效地进行概率意义下的全局搜索,能高效地寻找到全局最优点。但采用遗传算法时,进化的每一代种群成员必须要进行结构分析,因此所需的结构分析次数较多。 1 桁架结构优化设计问题的表述 在满足应力约束条件下的桁架重量最轻优化问题为: min w (A )=Σn i =1ρA i L i s.t 1 σi ≤[σi ] (i =1,2……n ) A min ≤A i ≤A max w (A )为结构总重量,ρ为材料密度,L i 为第i 杆的长度,A i 为第i 杆件面积,σi 为第i 杆的应力,[σi ]为第i 杆的许用 应力,A min 、A max 分别为杆件面积的下界与上界;n 为杆件总数。 2 神经网络结构近似分析方法 人工神经网络是由大量模拟生物神经元功能的简单处理单元相互连接而成的巨型复杂网络,它是一个具有高度非线 性的超大规模连续时间自适应信息处理系统,易处理复杂的非线性建模问题。文献[1]在K olm og orov 多层神经网络映射存在定理的基础上,针对近似结构分析问题提出的多层神经网络映射存在定理,确定了近似结构分析的神经网络的基本模型。从理论上证明一个三层神经网络可用来描述任一弹性结构的应力、位移等变量和结构设计变量之间的映射关系,为利用人工神经网络来进行结构近似分析提供理论基础。 211 BP 神经网络及其算法改进 BP 神经网络,即误差反向传播神经网络。其最主要的 特性就是具有非线性映射功能。1989年R obert Hecht -Niel 2 s on 证明了对于任何闭区间内的一个连续函数,都可用一个 隐含层的BP 网络来逼近。因而一个三层BP 网络可完成任意的n 维到m 维的映照,它由输入层、隐层和输出层构成。 传统的BP 网络存在着局部极小问题和收敛速度较慢的问题,因此本文采用了动量法和学习率自适应调整的策略,提高了学习速度并增加了算法的可靠性。 动量法考虑了以前时刻的梯度方向,降低了网络对误差曲面局部细节的敏感性,有效地抑制了网络陷于局部极小。 w (k +1)=w (k )+α[(1-η)D (k )+ηD (k -1)] α(k )=2λα(k -1)λ=stg n[D (k )D (k -1)] w (A )为权值向量,D (k )=- 5E 5w (k ) 为k 时刻的负梯度,D (k -1)为k -1时刻的负梯度,η为动量因子,α为学习率。 4 3 低 温 建 筑 技 术 2003年第1期(总第91期)
连续体结构拓扑优化方法及存在问题分析(最新版)
( 安全管理 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 连续体结构拓扑优化方法及存在问题分析(最新版) Safety management is an important part of production management. Safety and production are in the implementation process
连续体结构拓扑优化方法及存在问题分析 (最新版) 文章深入分析国内外连续体结构拓扑优化的研究现状，介绍了拓扑优化方法的发展及实现过程中存在的问题。对比分析了均匀化方法，渐进结构优化法，变密度法的优缺点。研究了连续体结构拓扑优化过程中产生数值不稳定现象的原因，重点讨论了灰度单元，棋盘格式，网格依赖性的数值不稳定现象，并针对每一种数值不稳定现象提出了相应的解决办法。 结构拓扑优化设计的主要对象是连续体结构，1981年程耿东和Olhof在研究中指出：为了得到实心弹性薄板材料分布的全局最优解，必须扩大设计空间，得到由无限细肋增强的板设计。此研究被认为是近现代连续体结构拓扑优化的先驱。 目前，国内外学者对结构拓扑优化问题进行了大量研究，这些
研究大多数建立在有限元法结构分析的基础上，但由于有限元法中单元网格的存在，结构拓扑优化过程中常常出现如灰度单元，网格依赖性和棋盘格等数值不稳定的现象。本文介绍了几种连续体结构拓扑优化方法及每种方法存在的问题，并提出了相应的解决办法。 1.拓扑优化方法 连续体结构拓扑优化开始于1988年Bendoe和Kikuchi提出的均匀化方法，此后许多学者相继提出了渐进结构优化方法、变密度法等拓扑优化数学建模方法。 1.1.均匀化方法 均匀化方法即在设计区域内构造周期性分布的微结构，这些微结构是由同一种各向同性材料实体和孔洞复合而成。采用有限元方法进行分析，在每个单元内构造不同尺寸的微结构，微结构的尺寸和方向为拓扑优化设计变量。1988年Bendsoe研究发现，通过在结构中引入具有空洞微结构的材料模型，将困难的拓扑设计问题转换为相对简单的材料微结构尺寸优化问题。 很多学者发展了均匀化方法，Suzhk进行了基于均匀化方法结构
拓扑优化
一种新的优化方法——拓扑优化。是一种以多种使用条件为目标优化参数的优化方式，可以提高零件的真正使用效益，更加准确的反映了设计的优化过程。 优化设计可以在很大程度上改善和提高铸造件、锻造件和冲压件的性能，并减轻产品重量。然而，优化设计特别是拓扑优化很少应用在实际工程中。一方面是因为工程问题的复杂性和高度非线性，拓扑优化技术目前还无法实现这些系统优化问题，但更重要的是一门新的技术和方法很难取代人们已经习惯多年的思维模式和工作方式。 工程设计人员需要有更系统、更科学的设计思想和方法，以达到提高产品开发效率、节约原材料、降低成本及提高产品质量的目的，结构优化设计则是实现这些目的较佳手段[1]。由于设计变量类型的不同，结构优化设计可以分为由易到难的四个不同层次：尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑布局优化。由于拓扑优化设计的难度较大，被公认为是当前结构优化领域内最具有挑战性的课题之一。但是在工程应用中，拓扑优化可以提供概念性设计方案，取得的经济效益比尺寸优化、形状优化更大，因此，拓扑优化技术对工程设计人员更具吸引力，已经成为当今结构优化设计研究的一个热点。 发动机运转期间，主轴承座承受多种载荷，这些载荷包括：螺栓预紧载荷、轴瓦过盈载荷及曲轴动载荷等。目前，主轴承座的主要评价指标是结构的强度、刚度是否满足设计需求。在明确主轴承座承载情况和设计要求的前提下，作者对某大马力发动机原有主轴承座进行了最大爆发压力工况下的有限元分析。分析模型及主轴承座轴瓦径向变形量见图1（a）、图1 （b）和图1（c）。通过主轴承座的强度分析和动态疲劳安全系数分析可以得知：主轴承座的动态疲劳安全系数为1.843，远远大于安全系数阀值1，所以主轴承座的强度足以满足设计需求。而从图1（b）可以得知轴瓦在变形后水平方向径向减小0.0739mm ，已经接近曲轴、轴瓦径向间隙最小值0.079mm，这容易导致曲轴与轴瓦间缺少油膜润滑，形成干摩擦，最终导致曲轴磨损加剧，发动机动载荷增加，甚至机毁人亡的悲剧；另外从图1（c）可以得知轴瓦在变形后上下方向径向增加0.0971mm ，小于轴瓦径向变形许可值0.147mm 。所以，根据有限元分析结果可以判断：主轴承座在水平方向的刚度不足够，应该改进现有结构，提高其刚度性能。
浅谈工业建筑中桁架结构的优化设计
浅谈工业建筑中桁架结构的优化设计 发表时间：2019-02-28T15:08:35.403Z 来源：《基层建设》2018年第36期作者：张明[导读] 摘要：随着我国工业化的进一步发展，桁架结构在工业建筑中的应用越来越广泛。 河钢股份有限公司唐山分公司发展规划部河北省唐山市 063000 摘要：随着我国工业化的进一步发展，桁架结构在工业建筑中的应用越来越广泛。除厂房屋盖结构外，桁架结构还应用于带式输送机的栈桥、通道、塔架等。它具有重量轻、跨度大、材料消耗经济、标准化程度高等优点，各种形状以满足不同用途。本文主要探讨在带式输送机栈桥的桁架中如何布置构件，使桁架结构受力更合理，使用更经济的材料。通过比较分析桁架在不同构件布置方案下的受力性能，达到优化桁架结构设计的目的。 关键词：平面桁架结构；杆件布置；优化设计 1 桁架基本情况 1.1 桁架的特点与组成 桁架结构是在简支梁基础上发展而来的，简支梁在均布荷载作用下，沿梁轴线弯曲，剪力的分布及截面正应力的分布在中和轴处为零，截面上下边缘处的正应力最大，随着跨度的增大，梁高增加根据正应力的分布特点，在先形成工字型梁后，继续挖空成空腹形式，中间剩下几根截面很小的连杆时，就发展成为“桁架”。由此可见，桁架是从梁式结构发展产生出来的。桁架的实质是利用梁的截面几何特征的几何因素—构件截面的惯性矩Ⅰ增大的同时，截面面积反而可以减小，从而减轻结构自重，达到节省材料的目的。 桁架结构是由直杆在杆端相互连接而组成的以抗弯为主的格构式体系，一般由上弦、下弦、腹杆组成，多应用于受弯构件。简支桁架在外荷载的作用下整体所产生的弯矩图和剪力图都与简支梁的情况相似，但桁架构件的受力性能与梁完全不同。桁架的上弦杆受压、下弦杆受拉，由此形成力偶来平衡外荷载所产生的弯矩，由斜腹杆轴力中的竖向分量来平衡外荷载所产生的剪力。 1.2 桁架结构计算的基本假定条件 （1）杆件与杆件之间相连接的节点均为绝对光滑无摩擦的铰结点。（2）所有杆件的轴线均是直线且在同一平面内，并通过铰的中心。（3）荷载和支座反力均作用在节点上，并位于桁架的平面内。通过分析可以看出:从整体来看，整个桁架相当于一个受弯杆件，而从局部看，桁架的每个杆件只承受轴力、拉力或压力，没有弯矩和剪力。 2 桁架在实际工程中的应用分析 这里以位于甘肃平凉某骨料生产线项目为例，分析桁架结构杆件布置。此桁架为皮带机运输栈桥桁架，跨度 18 m，宽度 3.2 m，高度2.7 m，全封闭结构，角度0°。 2.1 桁架结构建模 采用 PKPM 软件进行建模分析,取单榀桁架，高度 2.7 m，立杆间距取 3 m，荷载取宽度的一半，所有杆件按柱布置，所有节点设为较结点，荷载直接输在节点上。经计算上弦单个节点恒载 0.5 kN、活载7.5 kN，下弦单个节点恒载 3.5 kN、活载 24 kN，通过设置不同的杆件连接形式进行结果分析，桁架均对称布置。 2.2 桁架结构的对比分析 文章共进行四种连接形式的计算，在杆件和荷载均相同的情况下进行结果分析。 （1）由于桁架各杆件只有轴力，我们先将四种桁架结构的轴力图进行对比，如图 1 所示。从图中对比可以看出，桁架采取不同的杆件布置，桁架杆件的内力是不均匀的，整体近似梁内力分布，上下弦杆内力是两端小而向中间逐渐增大，腹杆内力是两端大而向中间逐渐减小的。但是明显3、4 形式下桁架的支座处节点荷载远远大于 1、2 形式，由此可见桁架结构边跨处腹杆直接与支座连接时，桁架整体受力更加合理，图中的 1、2 形式连接相对于 3、4 连接更加合理。 图1 恒载轴力 （2）将 1、2 两种桁架结构的应力图进行对比，如图 2 所示。从图中对比可以看出桁架杆件在 1、2 形式布置下虽然整体轴力分布都比较均匀，但是应力计算结果显示不同的布置下杆件所受内力不同，在相同的条件下 2 形式中间的杆件长细比（187>150）已经超限，1 形式杆件全部满足。由此可见桁架四种形式下最终比较结果 1 形式结构受力更合理。