基于APDL有限元优化技术的斜拉桥索力优化铁道建筑技术.docVIP

基于APDL参数化语言斜拉桥的索优化 柳舒甫 (兰州，73000) 摘要：利用大型有限元分析软件ANSYS的优化设计及结合其编程语言APDL对一座斜拉桥进行了索力优化设计以斜拉索的索力为设计变量，为控制变量，主梁的弯曲应变能作为目标函数，确定最优索力。计算结果表明该方法简单、有效。 关键词：斜拉桥；索力优化； 斜拉桥成桥恒载内力的分布及其大小是衡量设计优劣的重要标志之一[1]。斜拉桥设计自由度很大，可以通过调整索力来改变结构的受力状态一旦斜拉桥结构确定，总能找出一组索力，它使结构在确定性荷载作用下，某种反映受力性能的指标达到最优这组索力对应的成桥状态就是标下的成桥合理状态求解这组最优索力，并加以实施，也就实现了斜拉桥的优化因此，斜拉桥恒载状态的优化也就转化为斜拉桥索力优化问题 索力在斜拉桥中的重要性，促进了许多学者对斜拉桥索力优化问题进行了研究大型有限元分析软件ANSYS利用ANSYS的优化设计及结合其编程语言APDL实现可以施加多种约束条件，定义不同的优化目标对几种目标函数的优化结果进行比选选出满足设计需要的一组最优索力。 1 索力优化的常用方法 目前索力优化的常用方法可归结为三类：指定受力状态的索力优化，无约束的索力优化和有约束的索力优化[]。 指定受力状态优化方法的代表是刚性支承连续梁法。刚性支承连续梁法将斜拉桥主梁在恒载作用下弯矩呈刚性支承连续梁状态作为优化目标利用斜拉索索力的竖向分力与刚性支点反力相等的条件确定最优索力。这两种方法用以确定主、边跨对称的斜拉桥索力是有效的但当主、边跨不对称时，必将在塔中引起很大的不弯曲内力，失去了索力优化的意义． 索力无约束优化法的典型例子是弯曲能量最小法[]和弯矩最小法[]。弯曲能量最小法是用结构的弯曲应变能作为目标函数。弯矩最小法是以弯矩平方和作为目标函数这两种方法只适用于恒载索力优化，不能计预应力索力影响计算时要改变结构的计算模式，比较麻烦 索力的有约束优化的典型例子有：用索量最小法[5]、最大偏差最小法[6]。用索量最小法以斜拉索的用量(张拉力乘索长)作为目标函数，以关心截面内力、位移期望值范围作为约束条件。最大偏差最小法将可行域中参量与期望值的偏差作为目标函数，使最大偏差达到最小。 本文研究斜拉桥索力优化适用方法，根据斜拉桥的受力特点，选用以弯曲能量最小为优化目标，利用大型有限元分析软件ANSYS的优化设计及结合其编程语言APDL实现。 2ANSYS中的实现 2.1 ANSYS、APDL语言及ANSYS的优化设计ANSYS是融结构、热力、流体、电磁、声学等分析于一体的大型通用有限元分析软件[]。它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，具有完善的前后处理和强大的接口，能高效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性、模态分析、谐波响应分析、瞬态动力分析、断裂力学等问题。ANSYS 参数化设计语言APDL语言是ANSYS高级应用的基础，它扩展了ANSYS在传统有限元分析之外的能力，包含了许多特性，如：命令的复制、参数、函数、分支、循环、宏及标量和矢量利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令，可以实现参数化建模，施加参数化荷载与求解以及参数化后处理，从而实现参数化有限元分析的全过程在参数化的分析过程中，可以简单地修改其中的参数来反复分析各种尺寸、不同荷载大小的多种设计方案，极大地提高了分析效率，大大节省了分析时间同时，ANSYS还有结构优化设计的功能，可以方便地解决工程结构的优化设计问题。优化设计就是在满足设计条件下寻找一种寻找确定最优设计方案的设计。 优化(1)在ANSYS的优化模块中，有3大变量：设计变量、状态变量、目标函数统称为优化变量。设计变量为设计过程中需要不断调整赋值的参数，是设计的自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限， 用于规定设计变量的取值范围。在斜拉桥的索力优化中，采用斜拉索索力为设计变量。状态变量是设计要求满足的约束条件变量参数，用来体现优化的边界条件，它们相当于因变量，是设计变量的函数。用来体现结构设计应该满足功能上或性能上的要求以及其他一些要求。状态变量可有上下限，或只有单方面的限制。在本问题中，可以取梁的应力或索力均匀性约束、状态变量目标函数就是设计中极小化的变量参数，它必须是设计变量的函数，即改变设计变量的数值将改变目标函数的数值，而且在每次优化过程中，只能设定一个目标函数。目标函数的选取对于优化结果的优劣是至关重要的。在本问题中，可以取弯曲应变能、斜拉索用量和弯矩平方和等作为目标函数。(2)优化计算方法：ANSYS提供了2种优化方法：零阶方法(直接法)和一阶方法(间接法)。零阶方法是一种通用的函数逼近优化方法，这种方法的本质是采用最乘逼近，求取一个函数面来拟和解空问