CN111125818A

CN111125818A - 基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点及优化方法

Info

Publication number: CN111125818A
Application number: CN201911270804.2A
Authority: CN
Inventors: 杜文风; 张帆; 朱黎明; 张皓; 赵艳男; 王辉; 王英奇
Original assignee: Henan University
Current assignee: Henan University
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-05-08

Abstract

基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点及优化方法，采用基于仿生子结构拓扑优化后的构造形式，对传统的十字交叉节点模型进行建模和设计，通过该优化方法得到的新型十字交叉节点减小了十字交叉节点的自重，节约材料，且节点对材料的利用更为高效，提高了节点的安全稳定性，有效的降低了施工难度。

Description

基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点及优化方法

技术领域

本发明属于钢结构节点技术领域，特别涉及基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点及优化方法。

背景技术

钢结构是随着近代钢铁工业蓬勃发展而逐渐兴起的，其主要是指结构构件采用钢材的结构体系。近年来，钢构件在工业与民用建筑中得到广泛的应用，特别是在框架结构和网格结构中。从力学性能和经济角度看，钢构件有很高的强重比，在材料用量一定的条件下，可提供更高的强度，并减轻结构重量，从而节省材料、减少运输安装费用，达到减少开支的目的。钢结构以其受力合理、用料经济、造型美观、能覆盖较大空间等优点而成为符合当今结构追求更大跨度、更加优美外形的发展趋势，是建筑工程中优先使用的基本结构形式之一。

钢结构中杆件的连接方式至关重要，十字交叉节点是常见的钢结构节点，其中扁多边形连接是普遍使用的一种连接方式，节点和钢构件组成了桁架(包括平面桁架和空间桁架)和格构式刚架等各种结构形式，节点受力性能的好坏将直接影响到整个结构的安全性。十字交叉节点一般在工厂定型成批生产，现场拼装无需焊接，装拆方便，适用于现场工期紧，施工条件、用电量受制约，结构形状复杂的结构。但是，十字交叉节点的连接部位是实心的，往往容易造成节点单重较大，从而引起结构整体自重较大，影响结构的安全性及稳定性，同时也增加了现场的安装难度。

拓扑优化是在一定的边界条件和容积内通过调整结构参数和控制结构单元来得到最优的结构形状分布。而基于仿生的子结构拓扑优化是对传统拓扑优化的进一步改进，此方法首先将传统拓扑优化设计区域分成较为重要的仿生区域和较为次要的其他区域，不同优化区域取不同材料体积分数的约束上限，然后再进行拓扑优化分析，通过此方法得到的拓扑结构性能更加优良，拓扑后的结构构型更加清晰明确。本发明利用基于仿生的子结构拓扑优化原理对传统十字交叉节点进行优化分析，进而提出一种新型十字交叉节点，不仅能提高结构的承载能力还能极大的减小十字交叉节点的自重。

中国发明专利“一种复合材料加筋壁板结构优化分析方法”(公开号：CN106202597B)公开了一种复合材料加筋壁板结构优化分析方法，该发明分两级对复合材料加筋壁板结构进行优化分析，第1级对复合材料加筋结构的筋条布置进行拓扑优化，确定筋条布置位置以及加筋条形式；第2级在第1级优化的基础上进一步进行铺层优化，确定铺层角度、厚度，进一步减轻结构重量。通过两级优化，获得高效率的复合材料加筋壁板结构，该发明通过拓扑优化和铺层优化两个过程，可获得更高效率的复合材料加筋壁板结构形式；可以保证复合材料结构的安全可靠性，减轻结构重量20％以上，避免设计的盲目性，以较经济的重量、成本实现设计要求，从而缩短飞行器研制周期，具有显著的经济效益和社会效益。但其并没有涉及基于仿生的子结构拓扑优化，也没有涉及到传统十字交叉节点的优化分析。

中国发明专利“一种用于曲壳结构优化设计的水平集拓扑优化方法”(公开号：CN110555263A)公开了用于曲壳结构优化设计的水平集拓扑优化方法，包括以下步骤：步骤一、根据实际结构情况要求确定合适的设计域并进行离散；步骤二、根据结构实际工作状况确定位移约束与荷载边界条件；步骤三、采用四边形平板壳单元，在曲壳结构的曲面上设置节点并设定初始水平集函数值，构造四维水平集函数场；步骤四、求得单元密度值；步骤五、对结构进行有限元分析，根据分析结果计算出结构几何边界处的速度场，更新水平集函数；步骤六、迭代收敛判断；步骤七、优化结构处理。本发明在进行曲壳结构优化设计中，明显可以减小计算量，提高计算效率，并且能够适应更加复杂的结构，但其也没有涉及到传统十字交叉节点的优化分析。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点及优化方法，在提高十字交叉节点承载力的同时极大减小其自重，使其能更好的应用到钢结构连接中。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：

基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点优化方法，包括以下步骤:

(1)进行传统十字交叉节点模型的建模和设计，且十字交叉节点的中间连接部为实心构造；

(2)对步骤(1)建立的传统十字交叉节点模型进行仿生子结构的拓扑优化分析；

(3)将蜂巢结构应用到步骤(2)拓扑优化区域的划分中，将传统的拓扑优化区域划分为重要的蜂巢区域及次要的其他区域；

(4)对步骤(3)中区域进行网格划分；

(5)对步骤(4)中已划分网格的模型上布置荷载与约束，并以最大化刚度或最小化柔度为目标函数，进行基于仿生子结构拓扑优化，最终得到仿生蜂巢的拓扑结构。

步骤(1)中传统十字交叉节点模型是在SolidWorks软件中建立的，并将其导入Hypermesh软件OptiStruct板块进行拓扑优化分析。

步骤(1)中传统十字交叉节点模型赋予材料PSOLID实体属性，且材料采用铸钢，对应的弹性模量E＝210000MPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7.85×10^-9ton/mm³。

步骤(3)中拓扑优化区域划分的约束条件为重要的蜂巢区域体积减小至原来的75～85％，次要的其他区域体积减小至原来的20～30％。

步骤(3)中拓扑优化区域划分的约束条件为重要的蜂巢区域体积减小至原来的80％，次要的其他区域体积减小至原来的20％。

步骤(4)中网格划分采用tetramesh中的Volume tetra模块对模型进行。

步骤(5)中荷载布置时，在每个节点处均布置大小为1kN的拉伸荷载。

所述仿生蜂巢的拓扑结构为空心构造。

基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点，所述新型十字交叉节点由所述的基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点优化方法得到。

本发明的有益效果是：

(1)该基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点及优化方法，不再采用传统十字交叉节点中实心扁多边形的连接构造形式，而是采用基于仿生子结构拓扑优化后的构造形式，减小了十字交叉节点的自重，节约材料，且节点对材料的利用更为高效，提高了节点的安全稳定性，有效的降低了施工难度。

(2)本发明提高了节点的承载力，使整体结构更加安全可靠，且节点传力路线明确，受力形式合理；节点形式简洁、富有创造性和视觉冲击力，连接方便、安装精度高。

(3)本发明中的十字交叉节点采用铸造工艺进行加工制作，节点整体浇注成型，使得节点的整体结构刚性较大，并针对铸造工艺中存在的问题，结合工厂实际生产的经验，采用适合复杂异型铸件生产的消失模—砂型复合铸造工艺进行铸造，复合工艺不仅利用了消失模泡沫模样设计的高自由度、泡沫加工容易且价格低廉的优势，避免了变形、增碳的问题，而且保留了砂型铸造充型平稳，铸件成分和尺寸稳定的优点。

附图说明

图1为传统十字交叉节点轴测图；

图2为仿生子结构拓扑优化设计区域划分图；

图3为本发明的十字交叉节点的轴测图；

图4为本发明的十字交叉节点的正视图；

图5为本发明的十字交叉节点的侧视图。

图中：1、仿生蜂巢的拓扑结构；2、分管。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点及优化方法，如图1至图5所示。

基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点优化方法，包括以下具体步骤：

(1)进行传统十字交叉节点模型的建模和设计，且十字交叉节点的中间连接部为实心构造，而传统十字交叉节点模型在SolidWorks软件中建立。

(2)将步骤(1)中建立的传统十字交叉节点模型导入Hypermesh软件OptiStruct板块，进行仿生子结构的拓扑优化分析。

(3)将蜂巢结构应用到步骤(2)拓扑优化区域的划分中，将传统的拓扑优化区域划分为重要的蜂巢区域及次要的其他区域，如图2所示。

(4)对步骤(3)中的区域进行网格划分，本实施例中，采用tetramesh中的Volumetetra模块对模型进行网格划分，最终得到420900个节点，2175393个单元。

(5)对步骤(4)中已划分网格的模型上布置荷载与约束，并以最大化刚度或最小化柔度为目标函数，进行基于仿生子结构拓扑优化，最终得到仿生蜂巢的拓扑结构1。根据实际工况，在三根分管2顶面每个节点处分别布置大小为1kN的拉伸荷载，每个分管顶面边缘有644个节点，三根分管总荷载共计1932kN，在第四根分管底面约束dof1、dof2、dof3、dof4、dof5、dof6六个自由度。

以最大化刚度或最小化柔度为目标函数，定义重要的蜂巢区域以75～85％的结构体积分数为约束条件及次要的其他区域以20～30％的结构体积分数为约束条件进行基于仿生子结构拓扑优化。优选的，经过计算分析不同结构体积分数约束下的优化结果，采用重要的蜂巢区域以80％结构体积分数为约束条件，次要的其他区域以20％结构体积分数为约束条件，最终得到了仿生蜂巢的拓扑结构，如图3所示。

从拓扑优化的结果可以得出仿生蜂巢拓扑结构有4个明显的空心部位，同时与节点相连的分管也采用空心构造，使整体结构在承载力提高的同时，自重也得到极大减小。本发明中，不再采用传统十字交叉节点中实心扁多边形的连接构造形式，而是采用基于仿生子结构拓扑优化后的构造形式，这种构造形式不仅能减小十字交叉节点的自重、节约材料，还能极大地降低节点的安装难度。

另外，本发明中的十字交叉节点采用铸造工艺进行加工制作，节点整体浇注成型，使得节点的整体结构刚性较大，并针对铸造工艺中存在的问题，结合工厂实际生产的经验，采用适合复杂异型铸件生产的消失模—砂型复合铸造工艺进行铸造，复合工艺不仅利用了消失模泡沫模样设计的高自由度、泡沫加工容易且价格低廉的优势，避免了变形、增碳的问题，而且保留了砂型铸造充型平稳，铸件成分和尺寸稳定的优点。

下面结合实例对本发明作进一步地详细说明。

首先使用SolidWorks软件进行传统十字交叉节点的建模和设计，其中节点的分管为空心构造，外圆直径为500mm，内圆直径为350mm，分管整体长1200mm；中间连接部位为实心构造，与分管相连处的结构长500mm，其他部分结构长1060mm，结构整体厚为500mm，此部分上下、左右两端相距2000mm，如图1所示。然后将传统十字交叉节点模型导入Hypermesh中进行仿生子结构的拓扑优化分析，根据实际工程，在3个分管端部分别施加1000N/m²竖直向外的均布荷载，在第四个分管端部施加固定端约束，最后进行拓扑优化分析，得到基于仿生子结构拓扑优化的拓扑结构。再根据设计要求在Hypermesh软件的OSSmooth板块中导出优化后节点的三维模型，如图3、图4所示。此新型节点中仿生蜂巢拓扑结构的上下、左右两端直径都是2000mm，最中心圆孔直径为200mm，周围4个类半圆形孔径为320mm，高160mm，分管与仿生蜂巢的拓扑结构采用光滑曲面相交，避免了结构应力集中现象。

为对比新型十字交叉节点与传统十字交叉节点优劣性，利用Hypermesh软件进行数值模拟分析，计算两种类型的节点在相同荷载条件下的应力分布特征。计算结果如表1所示。

表1对比分析结果

由结果可知，在相同工况下，新型十字交叉节点的重量较传统十字交叉节点降低34.45％，最大应力降低27.06％，表明本发明的新型十字交叉节点较传统十字交叉节点承载能力得到明显提升，自重也得到极大降低，有效地节约了资源，同时也提高了结构的稳定性与安全性。从此例可见，本发明的结构形式是成立的，并且结构布置科学合理，受力性能优良，新型十字交叉节点承载能力得到明显提高，是切实可行的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

Claims

1.基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点优化方法，其特征在于，包括以下步骤:

(4)对步骤(3)中区域进行网格划分；

2.根据权利要求1所述的基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点优化方法，其特征在于：步骤(1)中传统十字交叉节点模型是在SolidWorks软件中建立的，并将其导入Hypermesh软件OptiStruct板块进行拓扑优化分析。

3.根据权利要求1所述的基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点优化方法，其特征在于：步骤(1)中传统十字交叉节点模型赋予材料PSOLID实体属性，且材料采用铸钢，对应的弹性模量E＝210000MPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7.85×10^-9ton/mm³。

4.根据权利要求1所述的基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点优化方法，其特征在于：步骤(3)中拓扑优化区域划分的约束条件为重要的蜂巢区域体积减小至原来的75～85％，次要的其他区域体积减小至原来的20～30％。

5.根据权利要求3所述的基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点优化方法，其特征在于：步骤(3)中拓扑优化区域划分的约束条件为重要的蜂巢区域体积减小至原来的80％，次要的其他区域体积减小至原来的20％。

6.根据权利要求1所述的基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点优化方法，其特征在于：步骤(4)中网格划分采用tetramesh中的Volume tetra模块对模型进行。

7.根据权利要求1所述的基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点优化方法，其特征在于：步骤(5)中荷载布置时，在每个节点处均布置大小为1kN的拉伸荷载。

8.根据权利要求1所述的基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点优化方法，其特征在于：所述仿生蜂巢的拓扑结构为空心构造。

9.基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点，其特征在于：所述新型十字交叉节点由权利要求1-8任一项所述的基于仿生子结构拓扑优化的新型十字交叉节点优化方法得到。