一端固定一端自由的受壓桿件的拓?fù)鋬?yōu)化

宋其偉，邊炳傳

(1.山東泰安恒基置業(yè)發(fā)展有限公司，山東泰安 271000;2.泰山學(xué)院建筑與機(jī)械工程系，山東泰安 271021)

1 引言

受壓桿件的穩(wěn)定問題(屈曲問題)即當(dāng)細(xì)長桿件受到軸向壓力的作用下會(huì)不會(huì)彎曲的問題.在進(jìn)行桿件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮桿件的強(qiáng)度、剛度，還必須要充分地考慮到受壓桿件的穩(wěn)定問題.其中，一端固定一端自由的受壓桿件是壓桿穩(wěn)定中的一種重要形式.當(dāng)前，對(duì)受壓桿件穩(wěn)定的優(yōu)化研究工作主要有:D.Manickarajah［1］等研究了考慮屈曲的桿件與框架的優(yōu)化問題;郭旭等［2］研究了桁架在屈曲載荷約束下的全局穩(wěn)定性拓?fù)鋬?yōu)化;榮見華等［3］運(yùn)用ESO方法研究了框架在承受最大臨界屈曲載荷情況下的截面優(yōu)化;彭興黔［4］研究了兩端彈性鉸支約束下受壓桿件穩(wěn)定的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用拉格朗日乘子法，求得受壓桿件在彈性鉸支約束下，截面優(yōu)化分布規(guī)律和撓曲函數(shù)的表達(dá)式，并給出計(jì)算臨界荷載的統(tǒng)一公式;鄒文勝等［5］考慮壓桿穩(wěn)定性的桁架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì).綜上所述，多數(shù)研究集中在了桁架的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，只研究了桁架中受壓桿件的去留問題，并未對(duì)具體受壓桿件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).本文對(duì)一端固定一端自由的受壓桿件穩(wěn)定利用獨(dú)立、連續(xù)、映射［6－7］的方法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，取得了較為理想的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果.

2 建立受壓桿件模型

受壓桿件穩(wěn)定的約束形式有多種，在本文中主要研究以一端固定，一端自由的大撓度受壓細(xì)長桿件，在Patran軟件平臺(tái)上建立受壓桿件的虛擬模型，受壓桿件的截面半徑為20mm，高度為1440mm的長圓柱，彈性模量E=210×103MPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7.8×10－6kg/mm3，分布力P=20010N，作用于上端圓截面的節(jié)點(diǎn)上，由于上端圓截面施加分布力，所以頂層單元為保留單元，其余為設(shè)計(jì)區(qū)域.下邊界采用固定支撐力，上端部施加分布力，劃分3072個(gè)8節(jié)點(diǎn)體單元，基結(jié)構(gòu)重量為13.75kg，如圖1所示.

根據(jù)材料力學(xué)［8］壓桿穩(wěn)定的知識(shí)，可以得到屈曲臨界力的大小為:P=n2π2EI/L2(n=0，1，2，…).

圖1 有限元模型

如果，兩端采用不同的鉸支形式，且當(dāng)n=1時(shí)，壓力為最小值，則可以得到臨界壓力的歐拉公式普遍形式:Pcr=π2EI/(μL)2，其中，μ為長度系數(shù).

利用有限元方法建立以臨界力為約束受壓桿件穩(wěn)定的拓?fù)鋬?yōu)化模型.其中以結(jié)構(gòu)重量最小為目標(biāo)，屈曲臨界力為約束的連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化模型:

其中臨界屈曲載荷由屈曲分析的特征值方程得到，屈曲分析的特征值方程為:

模型中的公式:fw(ti)，分別為單元重量、單元?jiǎng)偠汝?、單元幾何陣的過濾函數(shù).公式中t為拓?fù)湓O(shè)計(jì)變量，a，b分別為冪指數(shù)，在本文中取a=1，b=3.3.

3 數(shù)學(xué)模型的求解

令a/b=β，則上式變?yōu)閒w(ti)，目標(biāo)函數(shù)變?yōu)?

由于目標(biāo)函數(shù)是非線性的，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行二階泰勒近似展開，并略去常數(shù)項(xiàng)得到:

對(duì)優(yōu)化模型中的約束進(jìn)行處理，需要對(duì)約束進(jìn)行泰勒展開，需要求臨界屈曲力對(duì)xi求偏導(dǎo)數(shù)得:

又因?yàn)榍R界力由下式表示:

而剛度陣與幾何陣表示為:

臨界屈曲力對(duì)xi求偏導(dǎo)數(shù)可以表示為:

將約束用一階泰勒展式近似展開:

其中上標(biāo)k指第k次迭代的值.

對(duì)λj≤約束有:

采用對(duì)偶理論將上述模型轉(zhuǎn)化為對(duì)偶規(guī)劃:

其中，W(k)及W(k+1)為前輪與本輪迭代的結(jié)構(gòu)總重量，ε為收斂精度，本文取ε=0.001.

4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)結(jié)果討論

為確定臨界屈曲載荷的上限，需要首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析.由于2階、4階屈曲模態(tài)分別與1階、3階相同，只是變形方向有所不同，所以在此只分別研究受壓桿件的1階、3階、5階的屈曲模態(tài).對(duì)壓桿模型進(jìn)行屈曲分析，得到1階屈曲因子ζ1=1.588，1階屈曲臨界力λ1=31775.88N;3階屈曲因子ζ3= 14.301，3階屈曲臨界力λ3=286163.01N;5階屈曲因子ζ5=39.776，5階屈曲臨界力λ5=795917.76N.

從圖中可以看出，圓形截面的受壓桿件在半徑方向發(fā)生屈曲變形可能性是相同的，所以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在圓周徑向上具有一致性.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在發(fā)生變形的端部材料去除比較多，產(chǎn)生瓶頸結(jié)構(gòu);同時(shí)發(fā)現(xiàn)1階屈曲模態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的撓曲線與兩端鉸支、長為2倍的壓桿的撓曲線的上半部相同，驗(yàn)證了歐拉公式中的長度系數(shù).

［1］D.Manickarajah，Y.M.Xie，G.P.Steven.Optimisation of columns and frames against buckling［J］.Computers and Structures，2000，75:45－54.

［2］X.Guo，G.D.Cheng，N.Olhoff.Optimum design of truss topology under buckling constraints［J］.Struct Multidisc Optim，2005，10: 158－162.

［3］J.H.Rong，Y.M.Xie，X.Y.Yang.An improved method for evolutionary structural optimisation against buckling［J］.Computers and Structures，2001，79:253－263.

［4］彭興黔.兩端彈性鉸支約束下壓桿穩(wěn)定的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，23(1):45－49.

［5］鄒文勝，左正興，廖日東，文占科.考慮壓桿穩(wěn)定性的桁架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19(1):29－33.

［6］隋允康.建?！ぷ儞Q·優(yōu)化——結(jié)構(gòu)綜合方法新進(jìn)展［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，1996.

［7］邊炳傳，隋允康.多約束作用下連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27(5)，781－788.

［8］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1992.