基于apdl參數(shù)化語言的斜拉橋的索力優(yōu)化

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1、基于APDL參數(shù)化語言的斜拉橋的索力優(yōu)化柳舒甫(甘肅省建設(shè)監(jiān)理公司，甘肅，蘭州，730030)摘要：本文利用大型有限元分析軟件ANSYS的優(yōu)化設(shè)計及結(jié)合其編程語言APDL對一座獨塔單索面部分斜拉橋進行了索力優(yōu)化設(shè)計，以各斜拉索的初始索力為設(shè)計變量，主梁最大位移及最大應(yīng)力為控制變量，以主梁和主塔的彎曲應(yīng)變能作為目標函數(shù)，確定最優(yōu)索力。計算結(jié)果表明該方法簡單、有效。關(guān)鍵詞：ANSYS；斜拉橋；索力優(yōu)化；斜拉橋成橋恒載內(nèi)力的分布及其大小是衡量設(shè)計優(yōu)劣的重要標志之一[1]。斜拉橋設(shè)計自由度很大，可以通過調(diào)整索力來改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的受

2、力。因此，一旦斜拉橋結(jié)構(gòu)體系確定，總能找出一組索力，它能使結(jié)構(gòu)在確定性荷載作用下，某種反映受力性能的指標達到最優(yōu)。這組索力對應(yīng)的成橋狀態(tài)就是該目標下的成橋合理狀態(tài)，求解這組最優(yōu)索力，并加以實施，也就實現(xiàn)了斜拉橋的恒載受力優(yōu)化，因此，斜拉橋恒載狀態(tài)的優(yōu)化也就轉(zhuǎn)化為斜拉橋索力優(yōu)化問題。索力在斜拉橋中的重要性，促進了國內(nèi)外許多學者對斜拉橋索力優(yōu)化問題進行了研究，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法的實現(xiàn)均比較復(fù)雜。目前，大型有限元分析軟件ANSYS在橋梁設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，本文利用ANSYS的優(yōu)化設(shè)計及結(jié)合其編程語言APDL來實現(xiàn)索力優(yōu)化設(shè)計，其可以施加多種約

3、束條件，定義不同的優(yōu)化目標，然后對幾種目標函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果進行比選，選出滿足設(shè)計需要的一組最優(yōu)索力，從而使優(yōu)化設(shè)計變得快捷簡單。1索力優(yōu)化的常用方法目前索力優(yōu)化的常用方法可歸結(jié)為三類：指定受力狀態(tài)的索力優(yōu)化，無約束的索力優(yōu)化和有約束的索力優(yōu)化[2]。指定受力狀態(tài)優(yōu)化方法的代表是剛性支承連續(xù)梁法和零位移法。剛性支承連續(xù)梁法將斜拉橋主梁在恒載作用下彎矩呈剛性支承連續(xù)梁狀態(tài)作為優(yōu)化目標，利用斜拉索索力的豎向分力與剛性支點反力相等的條件確定最優(yōu)索力。零位移法以結(jié)構(gòu)在恒載作用下梁的節(jié)點位移為零作為優(yōu)化目標。對于支架上一次落架的斜拉橋，其結(jié)果與剛性支

4、承梁法幾乎一致，但對于懸拼結(jié)構(gòu)或現(xiàn)澆的結(jié)構(gòu)，零位移法是沒有意義的。這兩種方法用以確定主、邊跨對稱的斜拉橋索力是有效的，但當主、邊跨不對稱時，必將在塔中引起很大的不合理彎曲內(nèi)力，就失去了索力優(yōu)化的意義．索力無約束優(yōu)化法的典型例子是彎曲能量最小法[3]和彎矩最小法[4]。彎曲能量最小法是用結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)變能作為目標函數(shù)。彎矩最小法是以彎矩平方和作為目標函數(shù)。這兩種方法只適用于恒載索力優(yōu)化，不能計入預(yù)應(yīng)力索力影響，且計算時要改變結(jié)構(gòu)的計算模式，比較麻煩。索力的有約束優(yōu)化的典型例子有：用索量最小法[5]、最大偏差最小法[6]。用索量最小法以斜拉索

5、的用量(張拉力乘索長)作為目標函數(shù)，以關(guān)心截面內(nèi)力、位移期望值范圍作為約束條件。最大偏差最小法將可行域中參量與期望值的偏差作為目標函數(shù)，使最大偏差達到最小。本文研究斜拉橋索力優(yōu)化的適用方法，根據(jù)斜拉橋的受力特點，選用以彎曲能量最小為優(yōu)化目標，利用大型有限元分析軟件ANSYS的優(yōu)化設(shè)計及結(jié)合其編程語言APDL來實現(xiàn)。2索力優(yōu)化在ANSYS中的實現(xiàn)2.1ANSYS、APDL語言及ANSYS的優(yōu)化設(shè)計ANSYS是融結(jié)構(gòu)、熱力、流體、電磁、聲學等分析于一體的大型通用有限元分析軟件[7]。它擁有豐富和完善的單元庫、材料模型庫和求解器，具有完善的前

6、后處理和強大的接口，能高效地求解各類結(jié)構(gòu)的靜力、動力、振動、線性和非線性、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力分析、斷裂力學等問題。ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言APDL語言是ANSYS高級應(yīng)用的基礎(chǔ)，它擴展了ANSYS在傳統(tǒng)有限元分析之外的能力，包含了許多特性，如：命令的復(fù)制、參數(shù)、函數(shù)、IF-THEN-ELSE分支、DO循環(huán)、宏及標量和矢量。利用APDL的程序語言與宏技術(shù)組織管理ANSYS的有限元分析命令，可以實現(xiàn)參數(shù)化建模，施加參數(shù)化荷載與求解以及參數(shù)化后處理，從而實現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程。在參數(shù)化的分析過程中，可以簡單地修改其中的參數(shù)

7、來反復(fù)分析各種尺寸、不同荷載大小的多種設(shè)計方案，極大地提高了分析效率，大大節(jié)省了分析時間。同時，ANSYS還有結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的功能，可以方便地解決工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計問題。優(yōu)化設(shè)計就是在滿足設(shè)計條件下尋找一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計方案的設(shè)計。2.2優(yōu)化設(shè)計基本要素(1)在ANSYS的優(yōu)化模塊中，有3大變量：設(shè)計變量、狀態(tài)變量、目標函數(shù)，它們統(tǒng)稱為優(yōu)化變量。設(shè)計變量為設(shè)計過程中需要不斷調(diào)整賦值的參數(shù)，是設(shè)計的自變量，優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過改變設(shè)計變量的數(shù)值來實現(xiàn)的。每個設(shè)計變量都有上下限，用于規(guī)定設(shè)計變量的取值范圍。在斜拉橋的索力優(yōu)化中，采用斜拉索

8、索力為設(shè)計變量。狀態(tài)變量是設(shè)計要求滿足的約束條件變量參數(shù)，用來體現(xiàn)優(yōu)化的邊界條件，它們相當于“因變量”，是設(shè)計變量的函數(shù)。用來體現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該滿足功能上或性能上的要求以及其他一些要求。狀態(tài)變量可有上下限，或