基于拓撲優(yōu)化理論的分子域復(fù)合地基布樁設(shè)計方法
【專利摘要】一種基于拓撲優(yōu)化理論的分子域復(fù)合地基布樁設(shè)計方法，將復(fù)合地基根據(jù)其位置特點分為角子域、邊子域、不同土體性質(zhì)的若干個內(nèi)子域。使用SIMP方法得到材料的彈性模量與密度之間的關(guān)系，進行拓撲優(yōu)化。得到各個子域的布樁結(jié)果并組裝成整體結(jié)構(gòu)。該方法既避免了結(jié)構(gòu)分析復(fù)雜，計算量龐大的問題，同時也避免了最終結(jié)構(gòu)中布樁極不均勻的問題。
【專利說明】基于拓撲優(yōu)化理論的分子域復(fù)合地基布粧設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合地基布樁的設(shè)計方法，更具體地說，涉及一種拓撲優(yōu)化理論的分子域布樁優(yōu)化設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合地基布樁優(yōu)化中，結(jié)構(gòu)由淺基礎(chǔ)、樁和土體組成。通常對于水平方向跨度遠大于樁長的復(fù)合地基，如機場，高速公路路基，如果直接將其看做一個整體結(jié)構(gòu)進行布樁優(yōu)化設(shè)計，則存在兩個方面的問題:一是計算量龐大，另一個是優(yōu)化結(jié)果未必可用。對于連續(xù)體拓撲優(yōu)化問題，計算量由兩個部分組成，一是結(jié)構(gòu)變形分析，而是設(shè)計變量更新。此外，如果直接將整體結(jié)構(gòu)進行布樁優(yōu)化，則容易出現(xiàn)樁分布極為不均勻現(xiàn)象，無法為工程實際所接受。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于拓撲優(yōu)化理論的分子域復(fù)合地基布樁優(yōu)化設(shè)計方法。在滿足工程要求的情況下，能夠得到最優(yōu)材料布局方案，避免了結(jié)構(gòu)分析復(fù)雜，計算量龐大的問題，以及最終結(jié)構(gòu)中布樁的不均勻性問題。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
基于拓撲優(yōu)化理論的分子域復(fù)合地基布樁設(shè)計方法，包括以下步驟:
a)按照工程確定樁的尺寸；
b)整體地基進行子域劃分；
子域的劃分需要考慮整體結(jié)構(gòu)尺寸、土體性質(zhì)、荷載特點、樁尺寸及總工程量等因素。復(fù)合地基的子域可以分為三種類型，即拐角的角子域，邊界中部的邊子域及中部的內(nèi)子域。不同的子域有不同的對稱邊界。角子域含兩條對稱邊界，邊子域含三條對稱邊界，內(nèi)子域的邊界全部為對稱邊界。對于沿水平方向性能變化大的土體，為了降低計算量，可事先繪制土體性能等值線圖，按照等值線圖歸類子域，將內(nèi)子域按照性能歸類為若干個內(nèi)子域進行優(yōu)化計算。
[0005]c)給出子域內(nèi)樁初始布局，建立有限元模型，并參數(shù)初始化；
為了降低計算量，在優(yōu)化過程中保持土體材料始終保持不變，但樁的材料模量須由實體樁材料模量與樁間土模量進行插值。在優(yōu)化前若不指定復(fù)合地基中樁的初始布局，而是將整個子域設(shè)定為設(shè)計域，將樁與樁間土的模量進行插值并優(yōu)化獲取最終材料布局，則得到的結(jié)果往往無法在工程實際中采用，其原因在于樁材料橫截面及尺寸沿厚度方向變化，在同一面內(nèi)也不一致，即群樁不具有統(tǒng)一規(guī)格形狀尺寸。為此，將待優(yōu)化的子域進行初始化設(shè)計，即結(jié)構(gòu)中樁和土分開定義。
[0006]d)使用有限元軟件進行結(jié)構(gòu)變形分析；
e)對目標(biāo)和約束進行敏度分析；
復(fù)合地基中布樁優(yōu)化屬于典型的拓撲優(yōu)化問題。根據(jù)實際，假設(shè)材料均處于線彈性階段，且變形中淺基礎(chǔ)與所有樁始終保持相互作用。目標(biāo)可以以剛度最大化進行布樁設(shè)計并指定總樁數(shù)，也可以以指定地基中包含的樁的總數(shù)最少，而滿足沉降(最大沉降小于最大容許沉降)為優(yōu)化模型。若土體性能沿水平方向變化大，為了使整體沉降均勻，建議使用最小化樁總數(shù)并滿足沉降要求的方式進行優(yōu)化。使用SIMP方法進行拓撲優(yōu)化，建立中間密度(樁)單元的材料彈性模量與密度之間的關(guān)系。
[0007]f)設(shè)計變量更新；
g)收斂判斷，若不收斂，則返回到第d)步重分析，否則到第h)步；
h)停止迭代；
i)將各個子域布樁方案拼裝成整體布樁方案。
[0008]在上述優(yōu)化設(shè)計方法中，所涉及到的建模，優(yōu)化軟件均為ANSYS軟件。
[0009]本發(fā)明的有益效果是，可以在滿足實際工程條件的情況下，優(yōu)化后的復(fù)合地基在荷載作用下滿足沉降要求，避免了計算量龐大且最終結(jié)構(gòu)中布樁極不均勻的問題。從而證明該方法可為此類工程實踐提供具有理論基礎(chǔ)的參考設(shè)計。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0011]在圖1中，復(fù)合地基子域劃分為三種類型。顏色最深的為角子域，其次是側(cè)邊圖分布在復(fù)合地基區(qū)域外圍，顏色最淺的區(qū)域為邊子域，分布于角子域之間，中間的深灰色區(qū)域為內(nèi)子域。側(cè)邊土寬度可以取約一倍子域邊寬。
[0012]圖2中，角子域模型及邊界條件。黑色區(qū)域為設(shè)計域，灰色為側(cè)邊土。1、2邊為對稱邊界。
[0013]圖3為邊子域模型及邊界條件。淺灰色區(qū)域為設(shè)計域，深灰色為側(cè)邊土。1、2、4邊為對稱邊界。
[0014]圖4為內(nèi)子域模型及邊界條件。整個區(qū)域為設(shè)計域。邊界全部為對稱邊界。
[0015]圖5為地基土體性能不均勻時的復(fù)合地基子域劃分示意圖。該圖中將內(nèi)子域根據(jù)水平方向變化的土體性能等值線圖劃分為若干個內(nèi)子域。該圖中內(nèi)子域被分為四個子區(qū)域，分別為內(nèi)子域1、2、3、4。設(shè)計時，不同的內(nèi)子域使用不同的土體性能參數(shù)優(yōu)化計算。
[0016]由圖6為復(fù)合地基中內(nèi)子域的初始布樁模型，以及基礎(chǔ)、布樁、最底層土體參數(shù)。T_s表示淺基礎(chǔ)的厚度；D_P表示最小樁間距；T_P表示(方形)樁寬。右上角標(biāo)注坐標(biāo)軸方向，樁的沉降方向為-Z向。
[0017]圖7為基礎(chǔ)與初始布樁結(jié)構(gòu)斜視圖。
[0018]圖8為內(nèi)子域拓撲優(yōu)化的結(jié)果。
[0019]圖9為角子域拓撲優(yōu)化所得結(jié)果。
[0020]圖10為邊子域拓撲優(yōu)化所得結(jié)果。由三種子域的結(jié)果圖可以看出，計算所得拓撲同子域邊界條件具有相似的對稱性。
【權(quán)利要求】
1.一種基于拓撲優(yōu)化理論的分子域復(fù)合地基布樁設(shè)計方法，其特征在于，包括步驟: a).按照工程確定樁的尺寸； b).整體地基進行子域劃分； c).給出子域內(nèi)樁初始布局,建立有限元模型,并參數(shù)初始化； d).使用有限元軟件進行結(jié)構(gòu)變形分析； e).對目標(biāo)和約束進行敏度分析； f).設(shè)計變量更新； g).收斂判斷，若不收斂，則返回到第d)步重分析，否則到第h)步； h).停止迭代； i).將各個子域布樁方案拼裝成整體布樁方案。
2.如權(quán)利要求1所述的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述建模和前后處理、求解軟件為ANSYS。
3.如權(quán)利要求1所述的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述拓撲優(yōu)化方法通過APDL編寫實現(xiàn)(二次開發(fā))。
4.如權(quán)利要求1所述的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述的懲罰密度方案為SIMP方法。
5.如權(quán)利要求1所述的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述的優(yōu)化問題約束包含基礎(chǔ)最大沉降與最小沉降的差值限制。
6.如權(quán)利要求1所述的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，步驟l.b)中所述的子域劃分方案將結(jié)構(gòu)子域分為角子域，邊子域和內(nèi)子域。
7.如權(quán)利要求1所述的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，步驟1.c)中所述的網(wǎng)格劃分以樁作為最小單元尺寸離散結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G06F17/50GK103514335SQ201310486587
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】史姣, 蔡坤, 曹靖, 張愛軍 申請人:蔡坤