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横梁优化设计
桁架结构优化设计 如图所示的压力容器螺栓组联接中,已知D1=400mm,D2=250mm,缸内工作压力为p=1.5MPa,螺栓材料为35号钢, =320MPa,安全系数S=3,取残余预紧力 =1.6F,采用铜皮石棉密封垫片。现在从安全、可靠、经济的角度来选择螺栓的个数n和螺栓的直径d。 若从经济性考虑,螺栓数量尽量少些、尺寸小些,但这会降低联接的强度和密封性,不能保证安全可靠的工作;若从安全、可靠度考虑,螺栓数量应多一些,尺寸应大一些为好,显然经济性差,甚至造成安装扳手空间过小,操作困难。为此,该问题的设计思想是:在追求螺栓组联接联接经济成本最小化的同时,还要保证联接工作安全、可靠。 1)设计变量 选取螺栓的个数n和直径d(mm)为设计变量 2)目标函数 追求螺栓组联接经济成本 最小为目标。而当螺栓的长度、材料和加工条件一定时,螺栓的总成本与nd值成正比,所以本问题优化设计的目标函数为 3)约束条件 1、强度约束条件。为了保证安全可靠地工作,螺栓组联接必须满足强度条件 ,其中, 对于粗牙普通螺纹,由文献推荐,小径 。所以,强度约束条件为 2、密封约束条件。为了保证密封安全,螺栓间距应小于10d,所以密封约束条件为 3、安装扳手空间约束条件。为了保证足够的扳手空间,螺栓间距应大于5d,所以安装约束条件为 4、边界约束条件。 3、建立数学模型 综上所述,本问题的数学模型可表达为: 设计变量: 目标函数: 约束条件: 现运用MATLAB的优化函数进行求解: 先编写M文件 Function [c,ceq]=mynas(x) C(1)=146192/(x(1)*x(2)^2)-106; C(2)=400*pi/x(1)-10*x(2); C(3)=-400*pi/x(1)+5*x(2); ceq=[]; 在MATLAB命令窗口输入: fun=x(1)*x(2); x0=[4,6]; A=[-1,0;0,-1]; b=[0;0]; Aeq=[]; beq=[]; lb=[]; ub=[]; [x,fval]=fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,@mynas) 运行结果如下: Warning: Large-scale (trust region) method does not currently solve this type of problem, switching to medium-scale (line search). In fmincon at 260 Optimization terminated: first-order optimality measure less than options.TolFun and maximum constraint violation is less than options.TolCon. Active inequalities (to within options.TolCon = 1e-006): lower upper ineqlin ineqnonlin 1 2 x = 11.4499 10.9751 fval = 125.6637 所以该问题优化结果为: n=11.4499 d=10.9751 现对上例绘制数学模型要素图 在MATLAB命令窗口输入: x1=0.1:20; y1=146192./(106.*x1.^2); y2=400.*pi./(10.*x1) y3=400.*pi./(5.*x1) plot(y1,x1,y2,x1,y3,x1,x(1),x(2),’o’) y4=0.1:0.1:20 [y4,x1]=meshgrid(y4,x1); Q=y4.*x1; hold on; [c,h]=contour(y4,x1,Q); hold on; clabel(c,h); * *
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