[发明专利]基于ANSYS的考虑行波效应的结构拓扑优化设计方法

摘要

本发明提供一种基于ANSYS的考虑行波效应的结构拓扑优化设计方法，涉及随机激励下结构拓扑优化技术领域。本发明步骤如下：步骤1：获得非平整均匀场地考虑行波效应的空间地震动时程曲线，将其转化为随机激励加速度值；步骤2：建立有限元结构模型；在该模型上输入激励加速度，得到杆件内力和杆件应力；步骤3：建立拓扑优化模型：将杆件应力符合杆件允许应力定为约束条件对有限元结构模型进行优化；步骤4：重复步骤2‑步骤3，遍历截面积集合中的数据，得到新的杆件截面积集合；步骤5：对步骤4中得到的数据进行时程分析，重复步骤3‑步骤4，直至杆件截面积达到满足行波效应并且结构总质量达到最小；该方法即节省钢材，又保护结构不被破坏的目的。

主权项

1.一种基于ANSYS的考虑行波效应的结构拓扑优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据抗震规范和当地建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件，利用三角级数法，加入相干函数以及包络函数因素人工合成非平整均匀场地考虑行波效应的空间地震动时程曲线，并将其转化成带有行波效应的随机激励加速度值；步骤2：利用有限元分析软件建立有限元结构模型；根据抗震规范要求以及工程的实际要求设置杆件截面积集合其中i代表杆件编号，先为杆件选取任意截面积A_i，为有限元结构模型施加静力荷载并进行静力分析，判断有限元结构模型的合理性；若不合理则查找不合理的原因并重新建立有限元结构模型，若合理则调用该有限元模型并在ANSYS中读入步骤1所生成的带有行波效应的随机激励加速度，利用时程分析法对有限元结构模型进行考虑行波效应的地震响应分析得到杆件内力和杆件应力σ_i；步骤3：建立拓扑优化模型，以杆件截面积为设计变量，根据材料质量密度ρ和杆件长度l计算出结构杆件的最小总质量W，其最小总质量minW的公式为：将考虑行波效应得到的杆件应力符合杆件允许应力定为约束条件对有限元结构模型进行优化设计；具体步骤为：利用ANSYS后处理程序提取步骤2中由时程分析法得到杆件应力值σ_i，将得到杆件应力值σ_i和杆件允许应力值σ’进行比较，得到的比值若比值在0.8‑0.9范围内，则该杆件面积不在进行改变，若比值不在此范围内，则将比值乘以杆件初始设置的截面积A_i，得到新的杆件截面积A’，利用有限元软件中的EMODIF命令将杆件截面积由A_i改变为在截面积A_i的杆件截面积集合中大于A’并与其相邻的A_m；步骤4:重复步骤2至步骤3，遍历杆件截面积集合中的所有数据，得到遍历后新的杆件截面积集合步骤5：对步骤4中得到的a_m进行时程分析，得到新的杆件内力和杆件应力；重复步骤3和步骤4，直至使结构杆件截面积达到满足行波效应并且结构总质量达到最小；结构总质量达到最小的杆件即为考虑行波效应的优化结果。