[发明专利]一种考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法

说明书

本发明公开了属于工程结构设计技术领域的一种考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法。包括以下步骤：步骤1：基于网壳中构件的受力状况，设计优化前的装配式空心毂节点尺寸；步骤2：建立装配式空心毂节点几何模型，并将毂体划分为设计区域和非设计区域；步骤3：将装配式空心毂节点几何模型导入到Abaqus，建立有限元模型；步骤4：构建拓扑优化模型，采用参数化水平集法进行拓扑优化；步骤5：将拓扑优化的结果进行网格光顺处理，然后重建装配式空心毂节点。本发明能够在保证力学性能的同时降低中心毂体的材料用量；得到的装配式空心毂节点具有造型新颖、重量较轻、制作精度高的优点，同时也大大降低了现场施工人员的组装难度。

技术领域

本发明涉及工程结构设计技术领域，尤其涉及一种考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法。

背景技术

钢结构是现代建筑中非常广泛使用的一种结构形式，其主要是指结构构件采用钢材的结构体系。钢结构具有轻质高强、抗震性能好等优点，用于建造大跨度和高层建筑物特别合适。近些年来，随着钢铁工业的快速发展，钢结构构件已经在工业与民用建筑中的得到了广泛的应用，尤其是在空间网格结构中。以网架和网壳为代表的空间网格结构目前在被大量用于民用建筑、工业厂房、机场、体育馆以及展览中心等，其多变、新颖的设计也成为了各地的标志性建筑。与此同时，我国在空间网格结构的使用跨度、结构形式以及施工安装技术等方面都已经达到了国际先进水平。

装配式空间结构体系在环保、节能、标准化生产等方面的特点都顺应了建筑业未来的发展要求，未来建筑市场中装配式空间结构体系将成为主流趋势。在装配式空间结构体系中杆件的连接方式十分关键，其中以杆件-节点体系最为常用，而杆件-节点体系主要由杆件和装配式节点组成。目前常见的装配式节点形式包括：螺栓球节点、Socket节点、板式节点、嵌入式节点、Mero节点、装配式空心毂节点等。

拓扑优化则是以给定的初始设计空间的所有单元或节点作为设计变量，寻求满足一定约束条件的最优拓扑形状或材料分布形式，是一种基于结构概念设计的优化过程。该方法在汽车工业、航空结构设计研发、光子晶体设计和微型机器人等机械制造领域应用较为广泛，而在土木工程领域的应用相对较少。随着增材制造(AM)技术的日益成熟和普及，拓扑优化在土木工程结构设计领域具有广阔的应用前景和推广价值。

中国发明专利“一种装配式空心毂节点”(公开号：CN105625564A)公开了一种装配式空心毂节点。该发明节点能够实现装配式网壳的装配式施工，避免了现场焊接，降低了焊接热的影响，提高了施工精度，同时可以有效预防螺栓的“假拧紧”现象，利于大跨空间结构的推广。为了保证节点承载力及连接刚度，该类节点中心毂体尺寸往往取值相对保守，节点自重约占结构总重的15％～40％，一定程度上影响了结构的经济性和安装难度。

中国发明专利“一种基于应力惩罚和自适应体积的结构拓扑优化设计方法”(公开号：CN107273613A)公开了一种基于应力惩罚和自适应体积结构拓扑优化设计方法。该发明中利用基于应力惩罚和参数化水平集方法的优化模型，求解体积约束下基于应力的柔度最小化结构优化，从而获得最优的材料分布。该方法在结构优化中同时考虑了应力和体积的约束，优化结果综合控制了结构刚度和局部应力，设计结果对比常用拓扑优化设计方法更有优势。但其只被用于“L”型梁的优化算例中，并没涉及到空间结构节点的拓扑优化设计。

本发明针对上述现有技术的不足，提供基于结构拓扑优化的新型装配式节点及优化方法。基于结构拓扑优化的新型装配式节点在减轻节点自重的同时兼顾了良好的力学性能。轻量化、受力合理以及造型美观的特点，使其能够更好地运用于钢结构的连接中。

发明内容

本发明的目的是提出一种考虑多约束条件的空间网壳节点拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于网壳中构件的受力状况，设计优化前的装配式空心毂节点尺寸；

步骤2：依据步骤1的装配式空心毂节点尺寸建立装配式空心毂节点几何模型，并将毂体划分为设计区域和非设计区域；