[发明专利]一种基于杆系结构模型的载荷扩散结构优化方法

说明书

本发明涉及一种基于杆系结构模型的载荷扩散结构优化方法，该方法包括：(1)在集中载荷点和扩散点之间建立杆系结构形成载荷扩散结构，初始化结构参数；(2)建立杆系结构的有限元模型，对扩散点施加固定约束，集中载荷点施加载荷；(3)以结构的强度和稳定性为约束，以结构重量、载荷扩散的均匀度为目标构建目标函数；(4)基于目标函数进行优化求解，完成载荷扩散结构中各点的坐标、杆截面积的优化。与现有技术相比，本发明在满足结构强度和稳定性的前提下，结构重量尽量小且扩散点载荷尽量均匀，使得结构最大程度地得到优化。

技术领域

本发明涉及结构设计技术领域，尤其是涉及一种基于杆系结构模型的载荷扩散结构优化方法。

背景技术

在工程结构中，经常要将较大的集中载荷扩散为若干个小的载荷，因此要设计载荷扩散结构，其主要设计指标就是使各点载荷尽量均匀。此外要求在满足结构强度和稳定性的前提下，结构重量尽量小。

传统上用的方法是直杆的构型，但当结构尺寸较大，直杆容易发生失稳，导致材料许用应力降低，因此，应该使用杆系来作为扩散结构，但杆系通常是静不定的结构，且要使扩散点载荷尽量均匀，这是个结构设计的难点，需要提出针对性的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于杆系结构模型的载荷扩散结构优化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于杆系结构模型的载荷扩散结构优化方法，该方法包括：

(1)在集中载荷点和扩散点之间建立杆系结构形成载荷扩散结构，初始化结构参数；

(2)建立杆系结构的有限元模型，对扩散点施加固定约束，集中载荷点施加载荷；

(3)以结构的强度和稳定性为约束，以结构重量、载荷扩散的均匀度为目标构建目标函数；

(4)基于目标函数进行优化求解，完成载荷扩散结构中各点的坐标、杆截面积的优化。

优选地，步骤(1)中初始化结构参数包括载荷扩散结构中各点的坐标、杆截面积。

优选地，步骤(2)中建立有限元模型时采用杆单元或者梁单元来建立各个杆的模型。

优选地，步骤(2)中对扩散点施加固定约束包括位移固定约束。

优选地，步骤(3)中所述的构建目标函数包括：

计算杆载荷扩散结构中的所有杆的应力、许应力以及扩散端各杆的反支力；

对于载荷扩散结构中的所有杆，基于杆的应力和杆的许应力构建杆件应力均匀化评估变量V₁；

对于扩散端的杆，基于扩散端所有杆的反支力构建杆件均匀化评估变量V₂；

构造目标函数G：

其中，w为权重系数，A_i为杆i的截面积，l_i为杆i的长度，ρ为材料密度，m为扩散端杆的个数。

优选地，杆件应力均匀化评估变量V₁通过下式获得：

其中，下标i表示载荷扩散结构中的第i个杆，σ_i为杆i的应力，[σ]_i为杆i的许应力，N为载荷扩散结构中杆的总数。

优选地，所述的杆件均匀化评估变量V₂通过下式获得：