基于ANSYS的悬索桥结构优化
摘要
本论文在现有悬索桥研究成果的基础上,首先论述了悬索桥的基本计算理论,优化设计理论和参数化建模的基本知识,并采用ANSYS中的APDL参数化设计语言对悬索桥进行有限元建模,用于对悬索的优化设计。
结合悬索桥的结构形式和受力特点,对悬索桥的吊杆和缆索采用空间杆单元模拟,对加劲梁和索塔采用空间梁单元来模拟,对桥面板采用壳单元进行模拟,以此建立由缆索、吊杆、索塔、加劲梁、桥面板组成的全桥空间分析的有限元模型。
利用大型通用软件ANSYS强大的非线性有限元分析功能及优化设计功能,通过ANSYS中的APDL参数化设计语言,使用连续设计变量的优化方法,采用合理的优化策略对悬索桥进行优化,以吊杆和缆索的初应变为设计变量；以吊杆尽量均匀的张拉力和缆索、吊杆、加劲梁、塔的应力限值为状态变量；以悬索桥承受自身恒载作用时主梁变形最小为目标函数。先采用随机搜索的优化分析方法,再在此方法所有的可行设计序列基础上,利用零阶方法,然后在零阶方法的基础上采用一阶方法,从而得到更精确的结果。
通过以上的分析计算,进行优化前后的对比分析,包括静力分析、模态分析、和瞬态分析,对悬索桥优化前后的状态进行比较,从而尝试使悬索桥达到一个较优的状态。
This paper is based on the existing suspension bridge research results. Firstly, it expounds the basic theory of suspension bridge, the theory of optimization design and the basic knowledge of parametric modeling. At the same time it uses the APDL parametric design language of ANSYS for suspension bridge finite element modeling, aiming at the optimal design of suspension bridge.
Combined the structural style with the character of external force of the suspension bridge, we use3-D bar elements to simulate the suspender and the cable of suspension bridge, we use the beam elements to simulate the stiffening girder and bridge tower, with the shell element to simulate bridge panel.So that we can build the finite element model of the all bridge pace analysis,which is made up with the cable, suspender, pylon, girder, bridge panel.
We use the strong nonlinear finite element analysis and optimization design function of the large general software ANSYS, and the ANSYS APDL parametric design language, and the optimization method of continuous design variables to optimize the suspension bridge with reasonable optimization strategy. We use the suspender and cable initial strain as design variables; Regard the possible tension of suspender and stress limit of the cable, suspender, stiffening girder, the tower's as the state variables; The objective function is the minimum of main girder deformation when the suspension bridge is under dead load.Firstly,we use stochastic search optimization method, and base on all the feasible design sequence basis of it, we use zero order method and then the first order method to get a more accurate results.
Through the above analysis, we can carry on optimization analysis before and after comparing state, including the static analysis, modal analysis, and transient analysis. Through the optimization of suspension bridge before and after comparing state, we can make the suspension bridge a better state.
结合悬索桥的结构形式和受力特点,对悬索桥的吊杆和缆索采用空间杆单元模拟,对加劲梁和索塔采用空间梁单元来模拟,对桥面板采用壳单元进行模拟,以此建立由缆索、吊杆、索塔、加劲梁、桥面板组成的全桥空间分析的有限元模型。
利用大型通用软件ANSYS强大的非线性有限元分析功能及优化设计功能,通过ANSYS中的APDL参数化设计语言,使用连续设计变量的优化方法,采用合理的优化策略对悬索桥进行优化,以吊杆和缆索的初应变为设计变量；以吊杆尽量均匀的张拉力和缆索、吊杆、加劲梁、塔的应力限值为状态变量；以悬索桥承受自身恒载作用时主梁变形最小为目标函数。先采用随机搜索的优化分析方法,再在此方法所有的可行设计序列基础上,利用零阶方法,然后在零阶方法的基础上采用一阶方法,从而得到更精确的结果。
通过以上的分析计算,进行优化前后的对比分析,包括静力分析、模态分析、和瞬态分析,对悬索桥优化前后的状态进行比较,从而尝试使悬索桥达到一个较优的状态。
This paper is based on the existing suspension bridge research results. Firstly, it expounds the basic theory of suspension bridge, the theory of optimization design and the basic knowledge of parametric modeling. At the same time it uses the APDL parametric design language of ANSYS for suspension bridge finite element modeling, aiming at the optimal design of suspension bridge.
Combined the structural style with the character of external force of the suspension bridge, we use3-D bar elements to simulate the suspender and the cable of suspension bridge, we use the beam elements to simulate the stiffening girder and bridge tower, with the shell element to simulate bridge panel.So that we can build the finite element model of the all bridge pace analysis,which is made up with the cable, suspender, pylon, girder, bridge panel.
We use the strong nonlinear finite element analysis and optimization design function of the large general software ANSYS, and the ANSYS APDL parametric design language, and the optimization method of continuous design variables to optimize the suspension bridge with reasonable optimization strategy. We use the suspender and cable initial strain as design variables; Regard the possible tension of suspender and stress limit of the cable, suspender, stiffening girder, the tower's as the state variables; The objective function is the minimum of main girder deformation when the suspension bridge is under dead load.Firstly,we use stochastic search optimization method, and base on all the feasible design sequence basis of it, we use zero order method and then the first order method to get a more accurate results.
Through the above analysis, we can carry on optimization analysis before and after comparing state, including the static analysis, modal analysis, and transient analysis. Through the optimization of suspension bridge before and after comparing state, we can make the suspension bridge a better state.
引文
[1]周青松.人行悬索桥参数分析与优化设计[D]：(硕士学位论文).浙江：浙江大学,2010.
[2]吴轶雄.独塔单索面斜拉桥索力优化研究[D]：(硕士学位论文).大连：大连海事大学,2010.
[3]乔永强.自锚式独塔悬索桥静动态分析[D]：(硕士学位论文).大连：大连海事大学,2008.
[4]邱文亮.自锚式悬索桥非线性分析与试验研究[D]：(硕士学位论文).大连：大连理工大学,2004.
[5]戚士权.自锚式悬索一斜拉混合体系桥梁换索试验研究[D]：(硕士学位论文).西安：长安大学,2007.
[6]董春燕.自锚式悬索桥关键施工阶段分析与研究[D]：(硕士学位论文).北京：北京交通大学,2006.
[7]韩立中.大跨度自锚式斜拉悬索桥分析方法与性能研究[D]：(硕士学位论文).大连：大连理工大学,2009.
[8]杜高明.大跨度自锚式斜拉一悬索协作体系桥结构性能分析[D]：(硕士学位论文).大连：大连理工大学,2006.
[9]王文清.混凝土板式加劲梁自锚式悬索桥力学性能与设计方法研究[D]：(硕士学位论文).西安：长安大学,2008.
[10]高巍.自锚式悬索-斜拉组合结构桥梁缆索体系施工过程静力学特性研究[D]：(硕士学位论文).西安：长安大学,2009.
[11]檀永刚.自锚式悬索桥的力学特性与施工控制研究[D]：(硕士学位论文).大连：大连理工大学,2008.
[12]董桂西,王藏柱.结构优化设计的现状及展望[J].电力学报,2000,4(1)：5-7.
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[15]xie Y M, Steven G P. Asimple evolutionary procedure for structural optimization[J]. Compute & Struct,1993,49(5):885-896.
[16]Turner M J,Clough R W, Martin H C,Topp L C, Stiffness and Deflection Analysis of Complex Struetures[J].J. Aero. Sei.1956(23):806-822.
[17]郑玉国.基于优化理论的稳定型悬索桥有限元分析[D]：(硕士学位论文).昆明：昆明理工大学,2006.
[18]黄健.一座单塔两跨自锚式砼悬索桥施工监控[D]：(硕士学位论文).大连：大连理工大学,2009.
[19]林萍.自锚式斜拉一悬索混合体系桥梁施工过程力学行为研究[D]：(硕士学位论文).西安：长安大学,2007.
[20]Courant R, Vrlational, Method for Solutions of Problem of Equilibrium and Vibrat ions [J].Bull. Am. Math. Soe.1943 (9):1-24.
[21]甘果.预应力连续箱梁桥上部结构的优化设计[D]：(硕士学位论文).合肥：合肥工业大学,2007.
[22]尹世平,鹿晓阳,李洪福.桥梁结构优化设计的发展概况[J].山东建筑工程学院学报,2004,12.
[23]李志文.桥梁结构优化设计基础[M].北京：人民交通出版社,1982.
[24]孙蕾,任晓琳,孟辉.基于ANSYS的桥梁结构拓扑优化设计[J].中国高新技术企业,2009(20)：35-40.
[25]李鑫奎.基于可靠性的钢桁架桥优化设计研究[D]：(硕士学位论文).大连：大连海事大学,2008.
[26]杨姗姗.基于影响面分析的桥梁结构健康状态评价[D]：(硕士学位论文).大连：大连海事大学,2009.
[27]梅来彬,王波.浅析ANSYS在桥梁拓扑优化设计中的应用[J].科技创新导报,2008,27：104.
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[30]尹世平,鹿晓阳,李洪福.桥梁结构优化设计的发展概况[J].山东建筑工程学院学报,2004,12(4)：65-76.
[31]李芳,凌道盛.工程结构优化设计发展综述[J].工程设计学报,2002,9(5)：229-235.
[32]蔡新,郭兴文,张旭明.工程结构优化设计[M].北京：中国水利水电出版社,2003.
[33]陈昀明.钢筋混凝土加劲桁架悬索桥空间受力性能分析[D]：(硕士学位论文).福州：福州大学,2001.
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[42]雷俊卿,郑明珠,徐恭义.悬索桥设计[M].北京：人民交通出版社,2002：86-104.
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[2]吴轶雄.独塔单索面斜拉桥索力优化研究[D]：(硕士学位论文).大连：大连海事大学,2010.
[3]乔永强.自锚式独塔悬索桥静动态分析[D]：(硕士学位论文).大连：大连海事大学,2008.
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