CN112182801A - 一种基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法 - Google Patents

一种基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，涉及工程结构设计优化分析技术领域，所述方法包括以下步骤：步骤一、确定径向杆的挂载后拉力目标值、所述径向杆的张拉整体成型后拉力目标值以及毂轴的最终长度目标值；步骤二、安装所述径向杆，调整所述径向杆的初始无应力长度，使得所述径向杆挂载后拉力的平均值达到所述挂载后拉力目标值；步骤三、通过调整毂轴温度荷载，使得所述毂轴在伸长完成后，所述毂轴的最终长度达到所述最终长度目标值；步骤四、调整所述毂轴的初始长度，重新从所述步骤二开始计算，使得所述毂轴在伸长到位后，所述径向杆二次张拉后拉力值的平均值达到所述径向杆的张拉整体成型后拉力目标值。

Description

一种基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法
技术领域
本发明涉及工程结构设计优化分析技术领域，尤其涉及一种基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法。
背景技术
“加劲环”主要由径向拉杆、环向桁架以及毂轴构成，主要通过毂轴伸长的方式，使得径向拉杆产生较大的拉应力、环向桁架及毂轴产生较大的压应力，从而整体结构达到一个具有较大刚度的自平衡状态。该结构具有构件总数少、质量轻以及拉压状态分明的特点，可充分发挥材料强度，因此在建筑结构、航天工程以及航空装备中有广泛的应用。
根据设计要求，“加劲环”的最终形态和拉力状态是确定的。如何通过合理的加载方式，实现对其最终形态和拉力状态的精确加载控制，是“加劲环”张拉控制研究的核心问题。这里涉及两个问题，一是如何设计一种合理的加载方式；二是如何实现对“加劲环”最终形态和拉力状态的精确加载控制。
建筑工程中常见的大型“加劲环”结构是摩天轮。文献天津永乐桥摩天轮结构设计(马明,王卫东,宋涛等，建筑结构学报，2010，31(11)：78-82)介绍了天津永乐桥摩天轮轮盘安装流程，将整体轮盘分为若干扇形区域，进行分片逐段安装。张玉林、王卫东、刘民亮等著“大型轮辐式摩天轮轮盘牵引旋转立式逐段拼装施工系统”(申请专利号为200910068805.9)，发明了一种大型轮辐式摩天轮结构安装技术，提出分多步渐进拉紧的方式将径向索安装到轮盘上。上述文献考虑了“加劲环”的安装流程以及径向杆拉力的导入过程，但对“加劲环”最终形态和拉力状态的精确加载控制方法没有明确。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，可实现对“加劲环”最终形态和拉力状态的精确加载控制。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何设计一种基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，实现对“加劲环”最终形态和拉力状态的精确加载控制。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，所述加劲环为对称加劲环，所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据工程要求，确定径向杆的挂载后拉力目标值、所述径向杆的张拉整体成型后拉力目标值以及毂轴的最终长度目标值；
步骤二、安装所述径向杆，使所述径向杆产生拉力，记为径向杆挂载后拉力；调整所述径向杆的初始无应力长度，使得所述径向杆挂载后拉力的平均值达到所述挂载后拉力目标值；
步骤三、在结构分析软件中，通过升高所述毂轴的温度的方式使所述毂轴伸长，以实现对所述径向杆的二次张拉，并得到径向杆二次张拉后拉力值；通过调整毂轴温度荷载，使得所述毂轴在伸长完成后，所述毂轴的最终长度达到所述最终长度目标值；
步骤四、对于所述对称加劲环，按照稳定后的所述径向杆二次张拉后拉力值，调整所述毂轴的初始长度，重新从所述步骤二开始计算，使得所述毂轴在伸长到位后，所述径向杆二次张拉后拉力值的平均值达到所述径向杆的张拉整体成型后拉力目标值。
进一步地，在所述步骤二中是按照拉伸后挂载的方式安装所述径向杆。
进一步地，所述径向杆为受拉构件，所述径向杆的材质为高强高刚性轻质碳纤维，在受拉阶段处于线弹性，不考虑材料非线性和强度破坏问题。
进一步地，采用结构分析软件进行对结构受力及变形情况进行数值分析计算。
进一步地，采用结构分析软件对受压构件稳定性进行数值非线性分析计算。
为实现上述目的，本发明还提供了一种基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，所述加劲环为非对称加劲环，所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据工程要求，确定径向杆的挂载后拉力目标值、所述径向杆的张拉整体成型后拉力目标值以及毂轴的最终长度目标值；
步骤二、安装所述径向杆，使所述径向杆产生拉力，记为径向杆挂载后拉力；调整所述径向杆的初始无应力长度，使得所述径向杆挂载后拉力的平均值达到所述挂载后拉力目标值；
步骤三、在结构分析软件中，通过升高所述毂轴的温度的方式使所述毂轴伸长，以实现对所述径向杆的二次张拉，并得到径向杆二次张拉后拉力值；通过调整毂轴温度荷载，使得所述毂轴在伸长完成后，所述毂轴的最终长度达到所述最终长度目标值；
步骤四、对于所述非对称加劲环，选取左右弦杆平均横向位移描述所述加劲环是否偏斜；通过优化迭代的方法，调节所述毂轴的初始长度，重新从所述步骤二开始计算，使得所述毂轴在伸长到位后，所述加劲环不偏斜，即所述左右弦杆平均横向位移与分位点一致；所述径向杆二次张拉后拉力值的平均值不低于所述径向杆的张拉整体成型后拉力目标值。
进一步地，在所述步骤二中是按照拉伸后挂载的方式安装所述径向杆。
进一步地，所述径向杆为受拉构件，所述径向杆的材质为高强高刚性轻质碳纤维，在受拉阶段处于线弹性，不考虑材料非线性和强度破坏问题。
进一步地，采用结构分析软件进行对结构受力及变形情况进行数值分析计算。
进一步地，采用结构分析软件对受压构件稳定性进行数值非线性分析计算。
本发明提供的一种基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法至少具有以下技术效果：
1、可实现对“加劲环”最终形态和拉力状态的精确加载控制；
2、基于优化迭代计算，优化计算流程清晰、简洁，每次迭代计算只针对单变量进行调整，因此该优化方法的收敛性较好，计算不易发散。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的对称加劲环设计优化计算流程图；
图2是本发明的一个较佳实施例的非对称加劲环设计优化计算流程图；
图3是本发明的一个较佳实施例的加劲环结构示意图；
图4是本发明的一个较佳实施例的毂轴及分位点位置示意图；
图5是本发明的一个较佳实施例的弦杆位置示意图；
图6是本发明的一个较佳实施例的对称加劲环张拉前后状态示意图，左图为张拉前状态，右图为张拉后状态；
图7是本发明的一个较佳实施例的非对称加劲环张拉前后状态示意图，左图为张拉前状态，右图为张拉后状态。
其中：1-径向杆，2-毂轴，201-分位点，3-三根弦杆，301-左弦杆，302-中间弦杆，303-右弦杆，401-对称加劲环张拉前状态，402-对称加劲环张拉后状态，501-非对称加劲环张拉前状态，502-非对称加劲环张拉后状态。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1～图5所示，为本发明实施例所提供的基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，其中图1为对称加劲环设计优化计算流程图，图2为非对称加劲环设计优化计算流程图。
基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法包括步骤如下：
步骤一、根据工程要求，确定径向杆1的挂载后拉力目标值Fj1_opt、径向杆1的张拉整体成型后拉力目标值Fj2_opt以及毂轴2的最终长度目标值Lg1_opt；
步骤二、按照拉伸后挂载的方式安装径向杆1，径向杆1的初始无应力长度记为Lj0，挂载稳定后产生拉力，记为径向杆1挂载后拉力Fj1，稳定后径向杆1实际长度记为Lj1。
径向杆1的初始无应力长度Lj0、径向杆1挂载后拉力Fj1、径向杆1实际长度Lj1有如下关系：
Figure BDA0002691667250000041
式中，Ej为径向杆1材料弹性模量，Aj为径向杆1截面积。
通过优化迭代的方法，调整径向杆1的无应力长度Lj0，当径向杆1挂载后拉力Fj1平均值与径向杆1的挂载后拉力目标值Fj1_opt满足式(2)时，则停止优化迭代，认为此径向杆1无应力长度Lj0已满足设计要求：
Figure BDA0002691667250000042
式中，ε1为一小量，根据工程要求做具体设置。
步骤三、按照伸长毂轴2的方式实现对径向杆1的二次张拉，通过调整毂轴2伸长量，使得毂轴2伸长完成后，毂轴2最终长度Lg1达到目标值Lg1_opt；
在结构分析软件计算中，通过升高温度的方法使毂轴2伸长，因此需要确定在毂轴2上施加的温度荷载Tg，使得毂轴2从初始长度Lg0伸长到最终长度Lg1。
通过优化迭代的方法，调整毂轴2上的温度荷载Tg，当毂轴2最终长度Lg1与毂轴2最终长度目标值Lg1_opt满足式(3)时，则停止优化迭代，认为此温度荷载Tg已满足设计要求：
|Lg1-Lg1_opt|＜ε2 (3)
式中，ε2为一小量，根据工程要求做具体设置。
步骤四A、对于对称加劲环，按照稳定后的径向杆1拉力值(记为径向杆1二次张拉后拉力Fj2)，调整毂轴2初始长度Lg0，重新从步骤二开始计算，使得毂轴伸长到位后，径向杆1二次张拉后拉力Fj2平均值达到目标值Fj2_opt；
通过优化迭代的方法，调整毂轴2初始长度Lg0，当径向杆1二次张拉后拉力Fj2平均值与径向杆1二次张拉后拉力目标值Fj2_op满足式(4)时，则停止优化迭代，认为此毂轴2初始长度Lg0已满足设计要求：
Figure BDA0002691667250000043
式中，ε3为一小量，根据工程要求做具体设置。
步骤四B、对于对称加劲环，在对称荷载作用下，张拉成型后加劲环基本不偏斜，如图6中对称加劲环张拉前状态401和对称加劲环张拉后状态402所示，张拉完成后三根弦杆3(分别为左弦杆301，中间弦杆302和右弦杆303)与分位点201相对位置基本不变；对于非对称加劲环，如不对荷载做适当调整，极易导致张拉成型后的加劲环偏斜，如图7中非对称加劲环张拉前状态501和非对称加劲环张拉后状态502所示，张拉完成后三根弦杆3相对于分位点201的位置明显偏右；因此对于非对称加劲环，需要增加一个优化目标，保证张拉成型后的加劲环基本不偏斜。选取左右弦杆平均横向位移uavg描述加劲环是否偏斜，可表示为：
Figure BDA0002691667250000051
式中，u1为左弦杆301的横向位移，u3为右弦杆303的横向位移。
通过优化迭代的方法，调节毂轴2初始长度Lg0，使得毂轴伸长到位后，加劲环基本不偏斜，也就是要求左弦杆301、右弦杆303的平均横向坐标与分位点201基本一致。通常情况下，张拉过程中加劲环分位点201是不动的，因此这里采用了左弦杆301、右弦杆303的平均横向位移uavg基本为零作为优化目标。同时，由于此时左、右径向杆1拉力已为非对称荷载，因此将步骤四A中的优化目标改为径向杆1二次张拉后拉力Fj2平均值不低于目标值Fj2_opt。
调整毂轴2初始长度Lg0，重新从步骤二开始计算，当左弦杆301、右弦杆303横向平均位移uavg满足式(6)时，并且径向杆1二次张拉后拉力Fj2平均值与径向杆1二次张拉后拉力目标值Fj2_op满足式(7)时，则停止优化迭代，认为此毂轴2初始长度Lg0已满足设计要求：
|uavg|＜ε4 (6)
Figure BDA0002691667250000052
式中，ε4、ε5为小量，根据工程要求做具体设置。
其中，径向杆1为受拉构件，材质为高强高刚性轻质碳纤维，在受拉阶段处于线弹性，不考虑材料非线性和强度破坏问题；
其中，受压构件的材质为高强高刚性轻质碳纤维桁架、薄壁管受压力构件，在受压阶段处于材料线弹性，计算压缩长度，需要考虑几何非线性和稳定性；
其中，结构受力及变形情况可采用结构分析软件进行数值分析计算；
其中，受压构件稳定性分析可采用结构分析软件进行数值非线性稳定分析计算。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，所述加劲环为对称加劲环，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据工程要求，确定径向杆的挂载后拉力目标值、所述径向杆的张拉整体成型后拉力目标值以及毂轴的最终长度目标值；
步骤二、安装所述径向杆，使所述径向杆产生拉力，记为径向杆挂载后拉力；调整所述径向杆的初始无应力长度，使得所述径向杆挂载后拉力的平均值达到所述挂载后拉力目标值；
步骤三、在结构分析软件中，通过升高所述毂轴的温度的方式使所述毂轴伸长，以实现对所述径向杆的二次张拉，并得到径向杆二次张拉后拉力值；通过调整毂轴温度荷载，使得所述毂轴在伸长完成后，所述毂轴的最终长度达到所述最终长度目标值；
步骤四、对于所述对称加劲环，按照稳定后的所述径向杆二次张拉后拉力值，调整所述毂轴的初始长度，重新从所述步骤二开始计算，使得所述毂轴在伸长到位后，所述径向杆二次张拉后拉力值的平均值达到所述径向杆的张拉整体成型后拉力目标值。
2.如权利要求1所述的基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，其特征在于，在所述步骤二中是按照拉伸后挂载的方式安装所述径向杆。
3.如权利要求1所述的基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，其特征在于，所述径向杆为受拉构件，所述径向杆的材质为高强高刚性轻质碳纤维，在受拉阶段处于线弹性，不考虑材料非线性和强度破坏问题。
4.如权利要求1所述的基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，其特征在于，采用结构分析软件进行对结构受力及变形情况进行数值分析计算。
5.如权力要求4所述基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，其特征在于，采用结构分析软件对受压构件稳定性进行数值非线性分析计算。
6.一种基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，所述加劲环为非对称加劲环，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据工程要求，确定径向杆的挂载后拉力目标值、所述径向杆的张拉整体成型后拉力目标值以及毂轴的最终长度目标值；
步骤二、安装所述径向杆，使所述径向杆产生拉力，记为径向杆挂载后拉力；调整所述径向杆的初始无应力长度，使得所述径向杆挂载后拉力的平均值达到所述挂载后拉力目标值；
步骤三、在结构分析软件中，通过升高所述毂轴的温度的方式使所述毂轴伸长，以实现对所述径向杆的二次张拉，并得到径向杆二次张拉后拉力值；通过调整毂轴温度荷载，使得所述毂轴在伸长完成后，所述毂轴的最终长度达到所述最终长度目标值；
步骤四、对于所述非对称加劲环，选取左右弦杆平均横向位移描述所述加劲环是否偏斜；通过优化迭代的方法，调节所述毂轴的初始长度，重新从所述步骤二开始计算，使得所述毂轴在伸长到位后，所述加劲环不偏斜，即所述左右弦杆平均横向位移与分位点一致；所述径向杆二次张拉后拉力值的平均值不低于所述径向杆的张拉整体成型后拉力目标值。
7.如权利要求6所述的基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，其特征在于，在所述步骤二中是按照拉伸后挂载的方式安装所述径向杆。
8.如权利要求6所述的基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，其特征在于，所述径向杆为受拉构件，所述径向杆的材质为高强高刚性轻质碳纤维，在受拉阶段处于线弹性，不考虑材料非线性和强度破坏问题。
9.如权利要求6所述的基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，其特征在于，采用结构分析软件进行对结构受力及变形情况进行数值分析计算。
10.如权力要求9所述基于张拉控制的加劲环设计优化分析方法，其特征在于，采用结构分析软件对受压构件稳定性进行数值非线性分析计算。
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