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基于有限元数值模拟的箱梁腹板拓扑优化分析与设计
| 论文题名： | 基于有限元数值模拟的箱梁腹板拓扑优化分析与设计 |
| 关键词： | 箱梁桥;腹板结构;拓扑优化设计;有限元数值模拟 |
| 摘要： | 在结构工程领域，由于自然资源的限制、技术竞争的影响，使得轻量化，低成本和高效的结构设计成为目前发展的方向。对于桥梁结构而言，现阶段桥梁结构理论、设计和施工技术已逐渐完善，并在实际工程中取得了较为显著的成果，但依然面临着局部开裂等危及桥梁性能的难题。而最近几十年兴起的拓扑优化技术可以在实现结构轻量化的同时，提高结构的性能。因此，对桥梁结构的部件进行拓扑优化分析和设计具有非常重要的工程实用价值。 本文采用有限元模拟的方法分别对通用图中常用跨径的空心板简支梁和连续小箱梁进行了数值分析，并基于此采用合适的优化方法及算法对其在多种工况作用下的腹板结构进行了刚度最大化的拓扑优化设计。在结合相关的设计手段和工程经验的基础上，提取拓扑优化结果的特征并重新建模。随后，将得到拓扑优化梁与原梁对比，分析了其强度、刚度、抗剪承载力、稳定性等力学性能。最后，基于最优的拓扑优化梁，分别就简支梁和连续梁提出了多工况的概念设计方案。 分析结果表明：对于简支梁和连续梁，跨中及支点最不利荷载工况的拓扑优化结果比较规则，更具使用价值。就其轻量化程度来说，简支梁的拓扑优化结果及概念设计方案能在原梁的基础上减少10％以上的质量；连续梁的则能在原梁的基础上减少5%的质量。就其力学性能来说，拓扑优化结果在强度、刚度等方面优于原梁，而概念设计方案的性能总体上较拓扑优化结果有一定的提升，但其均在抗剪性能和稳定性等方面较原梁有所下降，需在后续的细部设计中予以增强。 在对不同类型桥梁腹板结构拓扑优化分析的研究过程中，可以总结一些优化规律，如对于空心板简支梁，其腹板跨中部分应力水平通常不高，在优化时可以挖除等。基于这些规律，可以一定程度上推导出相应类型桥梁结构的最优腹板拓扑形式，并直接运用在相关的设计中。在桥梁结构的概念设计阶段明确采用拓扑优化，可以从根本上提高桥梁结构的经济性和美观性，改善结构性能，避免设计后期不必要的返工。虽然拓扑优化结果存在几何构造复杂，可制造性差等特点，但可以通过后续的细部设计来提高其实用性和安全性，并为创建结构高效且视觉美观的桥梁提供重要的理论指导及支撑。本文研究成果可以为以后的桥梁结构设计和分析提供方向，同时也可以作为桥梁美学的设计基础。 |
| 作者： | 付强 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 刘龄嘉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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