優(yōu)化方法在大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的應(yīng)用探索★

劉韋鋒 楊 惠 曾慶凱 邱鐘宏 鄒燦林

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是一項(xiàng)極富創(chuàng)新意識(shí)和挑戰(zhàn)意識(shí)的科技競(jìng)賽，該賽事對(duì)培養(yǎng)土建類(lèi)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐能力有著重要意義，對(duì)學(xué)生綜合能力提出了頗高的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)競(jìng)賽，要求學(xué)生利用盡可能少的規(guī)定材料設(shè)計(jì)、制作能承受盡可能大的荷載的模型，并在指定的加載裝置[1]中進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身就是一個(gè)優(yōu)化過(guò)程，但由于技術(shù)上的限制，結(jié)構(gòu)中成果往往難以達(dá)到最優(yōu)化的要求[2]。隨著電子計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，以及數(shù)學(xué)規(guī)劃、有限元素法與邊界元素法等分析方法的不斷進(jìn)步，結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法得到了迅速發(fā)展，而且在某些領(lǐng)域中已經(jīng)顯示出經(jīng)濟(jì)與技術(shù)效益[3]。傳統(tǒng)方法通常無(wú)法讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握結(jié)構(gòu)競(jìng)賽中的全部技能，結(jié)構(gòu)初步方案的合理性對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的施工、使用、成本等方面起著決定性作用。本文以2017年廣東省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目為對(duì)象，基于拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，探討采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽技術(shù)水平的可行性，為結(jié)構(gòu)類(lèi)競(jìng)賽提供技術(shù)支持。

1 競(jìng)賽題目

2017年廣東省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽模型制作尺寸要求塔吊模型的立面及側(cè)面投影必須限制在圖1虛線的范圍內(nèi)，模型的吊臂根部及平衡臂根部如圖1所示。加載時(shí)會(huì)放置加載條，加載區(qū)必須在圖中規(guī)定的陰影區(qū)域內(nèi)。模型要經(jīng)過(guò)三次加荷，第一級(jí)為短臂端施加豎向荷載，第二級(jí)為長(zhǎng)臂端施加豎向荷載，第三級(jí)為長(zhǎng)臂端施加豎向荷載。每次加載持荷15 s，讀取位移計(jì)穩(wěn)定后的示數(shù)。最終以未破壞的最后一級(jí)吊臂端部荷載+0.2×平衡處的配重荷載作為加載成績(jī)。

2 設(shè)計(jì)思路

塔吊又名為塔式起重機(jī)，是一種全回轉(zhuǎn)動(dòng)臂架式起重機(jī)，其機(jī)身為塔架式的金屬結(jié)構(gòu)[4]。整體結(jié)構(gòu)可分為懸臂部分和塔身部分。懸臂部分可按照懸臂梁的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析。塔身部分可看作壓彎構(gòu)件，對(duì)于塔身中的豎桿，必須同時(shí)考慮強(qiáng)度和穩(wěn)定性問(wèn)題，還需適當(dāng)?shù)卦黾有毕蛑危岣咚碚w穩(wěn)定性。

SolidThinking Inspire是一款概念階段優(yōu)化和分析軟件，以先進(jìn)的OptiSruct優(yōu)化求解器為基礎(chǔ)，具備拓?fù)鋬?yōu)化的能力，將優(yōu)化的功能提到設(shè)計(jì)流程前端[5]。SAP2000是SAP系列程序功能最為強(qiáng)大的Windows版本，是一個(gè)最具集成化、高效率的三維靜、動(dòng)力結(jié)構(gòu)分析軟件[6]。針對(duì)賽題要求，采用SolidThinking Inspire得到滿足設(shè)計(jì)空間要求且具有較高荷質(zhì)比的初步方案；將力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與SAP2000結(jié)合，確定構(gòu)件的空間位置，以及各構(gòu)件的截面形式和尺寸。在此基礎(chǔ)上，制作具體的結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行加載試驗(yàn)，以確定方案的可行性。

3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及結(jié)構(gòu)方案

通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化軟件SolidThinking Inspire得出優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)參考生活中的塔吊建立了常規(guī)結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

采用SAP2000建模，將根據(jù)常規(guī)方案與根據(jù)SolidThinking Inspire得出的加載點(diǎn)位于上弦桿的優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比分析，在相同質(zhì)量下，兩個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形分析如表1所示。

表1 各級(jí)加載數(shù)據(jù)記錄

對(duì)比三次模擬加載得到的結(jié)果，優(yōu)化方案的內(nèi)力分布、最大撓度值等指標(biāo)上明顯優(yōu)于常規(guī)方案。

4 模型加載試驗(yàn)及最終方案

4.1 試驗(yàn)記錄

實(shí)驗(yàn)一模型柱腳采用雙箱形截面，維穩(wěn)構(gòu)件用三腳桿，其他用箱形截面。短臂端主梁因腹拉桿作用于加載鋼條的外側(cè)，10 kg的平衡重相當(dāng)于點(diǎn)荷載作用于主梁中間，短臂端主梁變形嚴(yán)重，第一級(jí)加載失敗，見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)二模型長(zhǎng)臂端的立柱和短臂端立柱底部改為雙箱形，其余采用箱形截面，內(nèi)置勁肋；主梁混合使用箱形和雙箱形截面，箱形截面段內(nèi)置勁肋；調(diào)整腹桿截面并在桿件內(nèi)部加勁肋。主梁與立柱采用鑲嵌式節(jié)點(diǎn)處理。立柱旁邊的柱腳桿件剛度不夠，抗彎、抗剪強(qiáng)度不夠，第三級(jí)加載后，短臂端的柱腳明顯上移導(dǎo)致長(zhǎng)臂端加載點(diǎn)下移量過(guò)大，見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)三是在實(shí)驗(yàn)二的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，加強(qiáng)柱腳剛度，調(diào)整腹板截面，F(xiàn)G4改為箱形截面，增加腹桿的勁肋，雙向拉帶維穩(wěn)改為單桿斜撐+雙向拉帶。第三級(jí)加載后，短臂端的柱腳仍明顯上移，見(jiàn)表4。

表2 實(shí)驗(yàn)一試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 實(shí)驗(yàn)二試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 實(shí)驗(yàn)三試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1)在可選荷載范圍內(nèi)，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)暮奢d進(jìn)行加載，有利于獲得較高荷質(zhì)比。2)對(duì)于本例，結(jié)構(gòu)自重在105 g～115 g之間達(dá)到了模型相對(duì)穩(wěn)定荷質(zhì)比，且荷質(zhì)比在110～135之間。3)對(duì)數(shù)次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定最終模型見(jiàn)圖3。

模型只要第一級(jí)跟第二級(jí)的荷載理論分析可行，則第二級(jí)加載不會(huì)造成模型失效，因此只需要分析第一級(jí)跟第三級(jí)的桿件的內(nèi)力。在本工況下，結(jié)構(gòu)有效桿件最大壓應(yīng)力為9.795 MPa，最大拉應(yīng)力為30.366 MPa，最大拉應(yīng)力還有很大的剩余空間，但立柱跟主梁壓應(yīng)力達(dá)到安全許用值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)壓桿對(duì)材料的利用率已經(jīng)達(dá)到一個(gè)較高的水平，拉桿雖然有很大剩余空間，但使用較多單層拉條，且拉條占用質(zhì)量較少，故給予較多安全儲(chǔ)備。

5 結(jié)語(yǔ)

土木工程專(zhuān)業(yè)是培養(yǎng)從事土木工程設(shè)計(jì)、施工、管理人才的工程類(lèi)學(xué)科，具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)其培養(yǎng)目標(biāo)，不僅要求學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)基本理論知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)其綜合工程意識(shí)與創(chuàng)新能力[7]。創(chuàng)新實(shí)踐能力是高素質(zhì)人才的重要標(biāo)志，是高水平大學(xué)建設(shè)的靈魂，也是“教育中國(guó)夢(mèng)”的重要內(nèi)涵[8]。一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)模型，如果沒(méi)有精細(xì)的制作工藝，不管理論設(shè)計(jì)再怎么完善也將無(wú)法付諸實(shí)踐。這也是大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽區(qū)別于一般競(jìng)賽的地方。模型制作水平在很大程度上依賴(lài)于參賽者的手工技巧[9]。當(dāng)前已有可供使用的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，為進(jìn)一步應(yīng)用提供了條件，而優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的應(yīng)用方法和效果是值得研究的問(wèn)題。

[1] 余世策,劉承斌,胡志華,等.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中塔吊模型靜載試驗(yàn)裝置的研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009,26(6):51-54,83.

[2] 董旭剛.桁架結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].西安：西安理工大學(xué),2005.

[3] 高志虎.基于有限元分析的大型塔內(nèi)件桁架支承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津：天津大學(xué),2008.

[4] 謝李寧.塔吊倒塌事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與對(duì)策[D].西安：西安科技大學(xué),2015.

[5] 鐘繼萍,陳春梅,常 亮.Solidthinking-Inspire在機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].智能制造,2016(6):31-33.

[6] 彭俊生,羅永坤.結(jié)構(gòu)概念分析與SAP2000應(yīng)用[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2005.

[7] 黃明奎,曾 艷.對(duì)我國(guó)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考[J].當(dāng)代教育論壇:宏觀教育研究,2007(10):120-121.

[8] 賈傳果,張 川,李英民,等.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽對(duì)土木工程專(zhuān)業(yè)本科教育重要性的探討[J].高等建筑教育,2014,23(1):133-135.

[9] 高 潮,楊 磊,喬永梅,等.淺談大學(xué)生結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2013(10):27-28.