1、报告题目 实验室隔断结构的优化设计,2012.05 哈尔滨工程大学,目 录,结构建模 载荷条件 工况条件 结构仿真 结构优化 结论 课题推广,结构建模,结构设计要求1.隔断结构体积较小，重量轻、结构紧凑；2.能承受一定的风压；3.能达到隔音、防火等基本要求；4.满足实验空间小的限制要求。方案设计图 ，如下图所示,风载荷计算关系,1、经验公式由建筑结构荷载规范知：作用在高耸结构单位面积上的风荷载应按下式计算： = z s z o式中 作用在高耸结构单位面积上的风荷载(kN/)；o基本风压(kN/)；zz高度处的风压高度变化系数； s风荷载体型系数；zz高度处的风振系数。,2、理论计算公式 基本风
2、压o系以当地比较空旷平坦地面、离地10m高、统计30年一遇的10min平均最大风速8 m/s为标准, 由建筑结构荷载规范知：哈尔滨地区距离地面10米处的基本风压为0.35 kN/。哈尔滨地区属于C类地区，即指有密集建筑群和较多高层建筑的大城市市区。其风压高度变化系数z可按表3.2.5的规定采用：,由表可知，z的值可取为0.94。 高耸结构的风荷载体型系数s可按表3.2.6的规定采用,故，s可以取值为0.8 。 风振系数 z 可按下列公式计算 z =1+式中 脉动增大系数，取1.5；v 脉动影响系数，取0.93；振型系数，取0.84 。所以， z =1.51482, = z s z o=1.51
3、4820.80.940.35=0.3987 kN/隔断结构分为两个部分，称作正面部分和侧面部分：其中正面的表面积为14 ， 侧面部分的表面积为10.5。故当风正面接触正面时候，玻璃所受力为5.5818kN，侧面所受力为4.1864kN,工况分析,实验室共有三扇窗户，一扇门可以对隔断结构造成影响。将隔断内的窗户对隔断的作用称为A，隔断外靠近隔断的窗户对隔断的作用称为B，剩余的一个称为C，门对隔断的作用称为D 。 其中A对 侧面隔断施加垂直的风压作用，D对隔断侧面施加垂直的风压作用，但作用方向与A相反。A与D对正面隔断没有力的作用。 B对正面隔断的作用风压方向与隔断呈45度角，C对正面隔断的作用风
4、压方向与隔断呈60度角，B与C对正面隔断没有影响。,实验室的隔断的具体布局及工况情况分布如图所示，,综上所述，可分为15种工况情况，如表所示： 其中A代表隔断内的窗户对隔断的影响； B代表隔断外靠近隔断的窗户对隔断的影响； C代表隔断外远离隔断的窗户对隔断的影响； D代表门对隔断的影响。其中，各个工况的具体数值如下表所示：,结构仿真,由于整体的隔断结构全部由固定副组成，故无法对其进行动力学仿真，而要对整体的框架结构进行最终的优化设计的话，只能选取整体框架结构中的一个四框结构，并对四框结构的四个端点附加转动副，而由于风载荷从而作用在隔断上的力，被平均分配到隔断结构的各个受力点上。于是对四框结构进
5、行建模分析，并对机构的侧面杆施加前面表格中的力以进行仿真。具体模型如下图所示：,将隔断的一个四框结构单独分析，去除其余多余的约束。在adams里建模，加约束后得到图如下：,对力所作用的竖杆进行质心位移量的测量，得到如图所示结果,细化模型 （1）创建设计变量将主要的设计点进行参数化，以细化该机构模型，以便于比较不同参数情况下产生的夹紧力。设计变量如图所示：,（2）优化设计变量,（3）设计变量优化结果,如表所示，DV_1和DV_3的敏感度最高，也就是说，point_2x,point_3x的位置变化对框架的影响最大。优化设计 （1）修改设计变量,（2）优化设计,前面提到的建模方式为全刚体建模，这种构
6、件在受到力的作用时不会产生变形，并且隔断结构为全固定副连接，所以无法测出各个杆件的形变量。 在现实中，把样机当作刚性系统来处理，在大多数情况下可以满足要求.但是在一些需要考虑构件变形的特殊情况下，完全把模型当作刚性系统来处理还不能达到精度要求。必须把模型的部分构件做成可以产生变形的柔性体来处理。在ADAMS中，有3种建立柔性体的方法.第一种是利用ADAMS中的柔性梁连接，将一个构件离教成许多段刚性构件，这些离散后的刚性构件之间采用的柔性梁连接。但这种方法只限于构件是简单构件时才可以使用。这种连接还不能称为真正的柔性体，离教柔性连接件是直接利用刚性体之间的柔性粱连接，将一个构件分成多个小块，在各
7、个小块之间建立柔性连接。由8段离散件构成，每段离敬件有自己的质心坐标系、名称、颜色和质心信息等属性.每段离散件就是一个独立的刚性构件.因此可以像编辑其他刚性构件一样来编辑稼段离散件。,刚柔混合建模如下：,图中将竖梁与横梁之间由转动副连接，将其中的一个横梁柔性化，在隔断上加载力的作用，比较刚性体横梁和柔性体横梁之间的变形情况，可以从图中看出，当对横梁进行柔性体化之后，可以较为清楚的看出横梁的变形，从而能够了解到构件可能出现的变形情况。再利用ADAMS/Line线性分析模块，通过机械系统振动特性的分析，共36阶模态，系统将给出机械系统的振动特性列表。列表如下：,结构仿真小结：通过adams的建模，
8、发现隔断系统中全部由固定副组成，无法分析其动力学特性，故将其中一个四框机构单独分析，并给定其边框以转动副，从而能够得出横梁质心处的位移量，而通过adams的柔性分析功能，更能更加直接的观察出横梁的具体形变特征及其振动特性。由此可以推断出，若要进行下一步的结构优化，其优化过程也是建立在将整体隔断模型拆散的基础上的，可以想见，对于不同模型的仿真过程，不一定全部通过整体分析，而是也可以将模型拆分成小机构来分析，从而扩展到整个机构。,结构优化,首先分析15种工况下正面隔断受的最大风压力，由前面列出的工况表格可知此时即是工况11，此时隔断正面受到8.7804kN的力。分散到各个隔断分块上面，则每个分块受
9、到 975.6N的力。随即抽取9个分块中的两个相邻的分块，创建ADAMS模型，仿真过程中，中间的竖梁带动横梁做转动，两侧的竖梁固定在地面上，中间梁受到243.9N的作用力，方向垂直于隔断面向里。设置仿真时间为0.2秒，100步。具体的仿真情况如下图所示：,横梁中心点的运动参数曲线为：,将分块的四个角的四个设计点位置进行参数化，以细化隔断机构模型，便于比较不同参数情况下横梁产生的位移情况。 对四个点的设计变量进行灵敏度测试： 由表可见，设计变量DV_3、DV_5、DV_7的敏感度最高，也就是说POINT_2x、POINT_3x、POINT_4x对隔断机构整体变形的影响最大。 故对这几个设计变量进
10、行优化，从而获得隔断机构最小的变形量。,针对横梁的最小角加速度进行优化设计，分别定义三个设计变量的取值范围，然后进行优化设计。得出的优化结果为，当DV_3、DV_5、DV_7分别取0.56868、1.9992、和0.00039199时，横梁的角加速度最小，为0.50487 。于是可以得出优化后隔断的形式为，如下图：,前面的优化设计是就正面的隔断进行的，由前面的工况表可得，当为工况 1时，侧面受到的风压力最大，所以就工况 1对侧面进行结构优化。其步骤和正面优化相似。工况 1 时，侧面受到最大风力作用为4.1864 kN，平均到每个窗口处为598.06 N的力，从而每个横梁受到的力为149.5N的
11、力。建模和柔性变形如下图：,用于优化的参数化模型的图像如下：,横梁中心点的运动参数曲线为：,细化模型，选取4个点的X、Y的坐标分别进行参数化为设计变量。迭代模型，以横梁的角加速度为优化参考变量，查看各个设计变量的敏感度，由此来判断需要优化的变量。得到的结果为DV_3、DV_4、DV_5、DV_6、DV_7的敏感度相当较高，对这5个设计点进行优化设计。优化设计，首先先定义他们的取值范围。为了使横梁获得最小的角加速度为前提，进行优化设计。从而得出最后的优化结果。得到的结果为，优化后横梁的角加速度为0.2963（降低了99.9%），DV_3、DV_4、DV_5、DV_6、DV_7的值分别优化为0.4
12、4、0、1.52、1.96、0 。优化后得到的图像变为：,下面就 15种工况逐一分析各工况下，正面和侧面隔断的变形情况、受力情况以及优化情况。根据横梁的受力、横梁质心处角加速度大小和横梁质心处位移情况来列举各个工况分析表。,机构工况分析全部仿真均是在仿真时间0.05秒，仿真步骤100步下进行的。表中所列结果为即时结果。,梁截面优化的分析解,利用拉格朗日求极限方法，对横梁截面进行优化箱形截面梁的优化设计最常用的模型是在满足强度条件下使其截面积最小。设箱形截面受到集中力的作用，则该优化间题的模型是,式中：b、t分别为箱形截面翼板的宽度和厚度；h、 分别为腹板的高度和厚度;Wx 箱形截面抗弯模量;
13、材料许用的抗拉应力值。抗弯模量为：梁的两端固定支座，当受到作用于中心的集中力时，Mx=PL/8；,示意图如图所示：,梁高 h 的确定W= M / ，腹板尺寸的确定 对于箱型梁 ， =4+2h / 1000 mm,计算得,优化设计小结：由表中可以看出，正面和侧面受力不会相互干扰，故只要对正面和侧面受到的最大风力进行分析优化即可，前面的优化过程既是对工况11 和工况 1 进行的优化设计，两种工况同时也是正面和侧面受到最大风力时的情况。由于我们的优化参考系是以横梁受到最小的角加速度进行的优化设计，所以两种工况下的设计可以应付受到小的风力的作用结果。两种优化均是将整体隔断结构取一部分进行优化设计，由于
14、整体隔断结构为对称结构，故可利用部分的优化形状还原整体的隔断形式。,结论：,通过pro/e组装功能对隔断结构进行建模。凝定了一系列的长度参数。 利用ADAMS刚体建模，在隔断各个结构加运动副，初步分析其运动特性，后发现隔断整体全部为固定副，无法分析其运动状态。 利用ADAMS柔性体建模，将隔断的一个分块进行仿真，直观的得出横梁的变形情况，故在ADAMS里将分块进行建模。 打破整体的固定副结构，假定分块的四个接触处运动副为转动副，加载前面计算的风力，从而得出横梁质心处的运动参数曲线图。 对模型进一步细化，选取敏感设计变量，以横梁质心处角加速度为设计参照进行优化设计，最终得出隔断的优化结果，并最终还原到整体隔断上去。,
