文档介绍：Structure Optimization Design
and Its Application in Tunnel Engineering
Major: Structural Engineering
Direction of Study: Structure Optimization
Graduate Student: Sun Guanxiao
Supervisor: Pro. Xing Xinkui
College of Civil Engineering and Architecture
Guilin University of Technology
Octorber, 2013 to April, 2014
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摘要
传统的结构设计,实际上指的是结构分析,其过程大致为假设-分析-校核-重新设
计。设计者根据设计要求和实践经验通过判断去创造设计方案,然后进行强度、刚度、
稳定性等方面的计算校核,若不满足则重新设计,虽然目的也是要选择一个合理的方案,
但它仍然只属分析的范畴,且只能凭设计者的经验作很少几次重复以通过“校核”为满
足。结构优化指的是结构综合,其过程大致可归纳为:假定-分析-搜索-最优设计四个
阶段。其中的搜索过程是修改并优化的过程。它首先判断设计方案是否达到最优(包括
满足各种给定的条件),如若不是,则按某种规则进行修改,以求逐步达到预定的最优
指标。由于结构优化设计能够带来巨大的经济效益,随着不断更新的设计技术和日益加
剧的产品竞争,这一领域的研宄受到了越来越多的重视。
本文分为三个层次对结构优化的理论及方法进行了研宄:分别为尺寸优化、形状优
化和拓扑优化。对尺寸优化设计的准则法及数学规划法进行了深入的研宄和对比,探讨
了两种优化理论的基本概念与基本方法,阐明了几种方法的计算过程及其优缺点分析。
对形状优化的常用的几种优化理论进行了介绍,对拓扑优化中的均匀化理论进行了分析
介绍,并且应用有限元软件给出了基于变密度法的算例。
并以某隧道衬砌结构为模型,运用 ANSYS有限元软件对其进行尺寸优化及拓扑优化
的设计。通过尺寸优化前后结构弯矩、轴力以及变形的对比分析,表明了尺寸优化设计
可以在保证结构安全适用的前提下减少结构的体积,并且均匀化了结构的安全系数,可
以使得内力分布更加合理,提高了材料的利用率。从而降低了工程造价,取得良好的经
济效益,对实际工程有着重要的意义。而拓扑优化设计则是对材料进行了重新分配,以
寻求在给定的边界条件和外荷载的情况下结构的最佳传力路径。在省去不同比例材料情
况下,对隧道衬砌结构进行拓扑优化设计,通过对比几种情况的拓扑优化结果,以及隧
道衬砌设计的概念图,对实际工程在理论上有着指导性的意义。最后对隧道洞室的断面
形状进行优化,得出在不同侧压比情况下不同的隧道断面形状,不但对实际工程有着参
考性意义,也为以后更好地对隧道结构进行研宄计算提供了思路和依据。
关键词:尺寸优化;形状优化;拓扑优化;有限元;隧道衬砌
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Abstract
Traditional structure design particularly refers to the structure analysis,
the steps of prise: assumptions - analysis