[發明專利]箱形支撐結構內部加筋板分布優化設計方法

無效

• 申請號: 200910197135.0
• 申請日: 2009-10-14
• 公開（公告）號: CN101691012A
• 公開（公告）日: 2010-04-07
• 發明（設計）人: 丁曉紅;李國杰
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: B23Q1/01
• 分類號: B23Q1/01;B66C6/00;B66C5/00
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

技術領域

本發明涉及一種機床的床身及立柱、起重機的大梁與支腿等箱形支撐結構的內部加筋板分布優化設計方法。

背景技術

針對箱形支撐結構內部加筋板的優化設計問題，目前大多數研究都局限于加筋板間隔與截面的尺寸優化設計，而由于加筋板的形式及布局優化設計自由度大，實現困難，現有的設計方法一般根據材料力學理論，結合設計者的經驗提出若干種加筋板的分布形式后，在對這些加筋結構進行力學分析比較的基礎上，進行選型和改進設計。顯然這樣的設計方法無法得到真正最優的結構，其最終設計結果很大程度上決定于設計者的經驗，而且其設計過程無法實現自動化。

隨著近年來結構拓撲優化設計理論的發展，加強筋的布局優化問題，尤其是薄壁板殼結構加強筋的分布優化設計得到了深入的研究。對于箱形支撐結構來說，將箱形結構內部填充材料，然后對其內部的實體采用結構拓撲優化設計方法進行設計，理論上可實現內部加筋板分布優化。但對于工程中常見的大體積箱形結構，對其內部填充的實體進行拓撲優化設計計算量相當大，且其設計結果形態復雜，實際應用中還需要進行進一步的后處理，因此雖然從理論上說該方法行之有效，但實際應用上仍存在問題。

發明內容

本發明是要提供一種箱形支撐結構內部加筋板分布優化設計方法，采用一種稱為纖維模型的簡化模型，將復雜的三維結構拓撲優化設計問題轉化為簡單的二維結構設計問題，并采用密度法對結構進行優化設計，自動快速設計箱形支撐結構內部的加筋板分布，使結構達到最好的技術經濟綜合性能。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種箱形支撐結構內部加筋板分布優化設計方法，包括以下具體步驟：

1)簡化為中空結構的初始設計模型

將箱形支撐結構簡化為中空的箱體，形成初始設計模型；

2)有限元網格劃分

對初始設計模型進行有限元網格劃分，所有外壁均劃分為殼單元，且箱體的約束面和設計面的網格需一一對應；

3)形成纖維模型

在約束面和承載面對應的節點上建立梁單元，形成纖維模型；

4)對設計模型施加邊界條件

對結構施加載荷和約束，進行靜力分析；

5)承載面材料分布優化設計

將承載設置為設計區域，采用式(1)的優化模型進行承載面材料分布的優化設計，

min?vol(ρ)＝vol(ρ₁，ρ₂，...，ρ_n)

subject?to：

???????δ_max≤[δ]????????????????????(1)

???????σ_max≤[σ]

???????0≤ρ_i≤1????i＝1，2，...n

式中，vol為結構的總體積，ρ_i為單元i密度，n為單元個數，δ_max和σ_max分別為結構的最大位移和最大應力，[δ]和[σ]分別為結構的許用位移和許用應力；

6)確定應保留的梁單元

根據第5步驟的設計結果得到承載面的材料最優布置，確定應保留的梁單元，即當某一梁單元的節點在承載面的高密度區時，保留該梁單元；反之，若某一梁單元的節點在承載面的低密度區時，去除該梁單元；

7)形成加筋板

連接各保留的梁單元形成加筋板。

本發明提出一種稱為纖維模型的簡化模型，將復雜的三維結構拓撲優化設計問題轉化為簡單的二維結構優化設計問題，利用密度法，自動快速設計箱形支撐結構內部的加筋板分布，使結構達到最好的技術經濟綜合性能。

附圖說明

圖1是對角筋板的纖維模型圖；

圖2是具有內部平行梁單元的箱形結構初始設計模型圖；

圖3是本發明的流程圖；

圖4是受扭床身加筋板設計力學模型及設計結果圖；

其中，(a)床身承受扭轉載荷圖，(b)床身力學模型圖，(c)有限元設計模型圖，(d)床身加筋板最優布置形態圖；

圖5是床身模型圖；其中，(a)優化模型圖，(b)橫隔板模型圖。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。

一.設計模型的簡化