轻型门式刚架结构力学特性与优化设计数值分析研究

摘要

轻型门式刚架钢结构是目前国内应用最为广泛的工业厂房结构形式之一，具有施工便捷、自重轻、扩建灵活等特点。虽然我国在门式刚架结构的设计、制作、安装、围护等方面技术已趋于成熟，但是目前项目的建设成本依赖于设计者的经验水平，或直接导致工程造价的增加。所以，对轻型门式刚架进行优化设计具有实际意义。 在实际工程中，门式刚架结构形式较多，按统一的模型进行力学分析及优化设计较为困难，为了满足设计院快速计算分析及优化设计的实际要求，本文以ANSYS作为计算分析软件，利用参数化设计语言APDL编写前处理、加载求解及后处理全过程命令，对门式刚架钢结构进行力学特性分析，最后利用Design Opt模块对其进行结构优化设计，对其他形式的门式刚架结构进行计算，只需对命令流作相应的修改即可。 本文首先简介了门式刚架的结构特点，结构优化设计及门式刚架结构优化设计的国内外研究现状，然后概要的介绍了参数化语言(APDL)及优化原理、优化方法、优化步骤。在此基础上，以某建筑设计单位设计的三跨带吊车的变截面轻型门式刚架结构厂房为例，利用APDL对结构进行参数化建模，建立了结构的平面有限元模型。考虑到此厂房建设位置在辽宁沈阳，故考虑的荷载有恒载、活载、雪荷载、风荷载、吊车作用及地震作用，其中雪荷载为控制荷载。将这些工况进行荷载组合，对整体结构进行数值计算，得到原结构的最大应力及最大位移，并与规范中的限值相比较，确定原结构的强度及刚度储备过剩。然后以梁截面尺寸为设计变量，以结构最大应力、最大位移为状态变量，以结构总重为目标函数，对一榀刚架结构进行优化计算。优化结果表明，一榀刚架重量从7772.9kg减到6572.1kg，比原设计节约15.4％，结构总重可以累积节约钢材15610.4kg，优化效果明显。最后分别对6.6m、6.9m、7.2m、7.8m等柱距下刚架进行结构优化设计。 本文依据相关设计规范，对门式刚架进行力学特性分析及结构优化设计，经过优化设计之后，结构受力合理，结构总重明显减小，达到了降低建设成本的目的。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景以及研究意义

1．2国内外结构优化设计研究现状

1．3门式刚架的优化及研究现状

1．4本文研究内容

第2章结构优化设计在ANSYS中的实现

2．1参数化设计语言

2．2结构优化设计基本概念

2．3结构优化基本原理

2．4结构优化设计方法

2．5结构优化设计步骤

2．6本章小结

第3章轻型门式刚架结构有限元模型建立

3．1工程概况

3．2荷载取值

3．3荷载作用

3．4工况组合

3．5轻型门式刚架结构有限元模型建立

3．5．1轻型门式刚架结构模型简化

3．5．2轻型门式刚架结构单元特性

3．5．3轻型门式刚架结构参数化建模

3．6本章小结

第4章轻型门式刚架结构力学特性数值分析

4．1轻型门式刚架结构静力分析

4．2轻型门式刚架结构动力分析

4．2．1反应谱概念

4．2．2振型分解

4．2．3反应谱分析振型组合方法

4．2．4响应谱分析

4．3内力验证

4．4本章小结

第5章轻型门式刚架结构优化设计

5．1优化基本原则及优化模型建立

5．1．1优化设计基本原则

5．1．2优化模型建立

5．2优化设计分析文件

5．3优化设计控制文件

5．4优化设计结果

5．5柱距优化分析

5．6本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

作者简介