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優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法范文第1篇

關(guān)鍵字：房屋；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化技術(shù)

引言

目前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，土地價(jià)格也在不斷上漲。同時(shí)，人民對(duì)住房條件的需求也在不斷上升，因此，對(duì)開發(fā)商帶來的壓力也在不斷加大。為了實(shí)現(xiàn)房屋建筑經(jīng)濟(jì)效益的最大化，就需要采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源的最大利用。房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指，采取科學(xué)合理的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)方法來設(shè)計(jì)房屋結(jié)構(gòu)，以最小的工程報(bào)價(jià)來最大化整體的建筑收益，提高房屋的質(zhì)量水平，使得企業(yè)也獲得較高的利潤等。

一、我國目前房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀以及實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)的原因

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，對(duì)住房建設(shè)要求也越來越高。同時(shí)，根據(jù)我國目前的基本國情，人口數(shù)量日益增長(zhǎng)，住房面積需求量不斷加大。因此，我國現(xiàn)階段住房建設(shè)主要以高層為主。房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅能夠滿足當(dāng)今大眾的需求，更能為投資者減少建筑成本。

房屋建設(shè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化必須以建筑的安全性為首要原則，然后再進(jìn)一步分析建筑方案，配合科學(xué)合理的設(shè)計(jì)理念，從而有效控制建筑工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。根據(jù)近些年的數(shù)據(jù)資料顯示，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以為整項(xiàng)建筑工程節(jié)省30%-50%的費(fèi)用。但是，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，方案設(shè)計(jì)受自然因素的影響很大，很難發(fā)揮出其本身的優(yōu)越性。例如，工程設(shè)計(jì)階段，施工方過多的縮短建筑設(shè)計(jì)時(shí)間，從而使設(shè)計(jì)效果達(dá)不到理想的要求，在縮短工程工期的同時(shí)也降低了工程設(shè)計(jì)質(zhì)量；建筑設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)不足，專業(yè)知識(shí)不完備，對(duì)一些設(shè)計(jì)軟件掌握的不夠精通；一些設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)建筑時(shí)過度的關(guān)注部分結(jié)構(gòu)而忽視了整體方案等等，這些因素都會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不夠優(yōu)化。因此，房屋建筑設(shè)計(jì)者必須科學(xué)合理的分析整體建筑方案，并設(shè)計(jì)出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益的最大化。

二、房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要體現(xiàn)在哪些方面

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要是采取合適的方法以及科學(xué)的設(shè)計(jì)理念來最大化的達(dá)到房屋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如：房屋結(jié)構(gòu)的合理布局、構(gòu)件大小、結(jié)構(gòu)框架等。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理念是將建筑的具體部件以及整體布局進(jìn)行分析，而頂柱、體形、層高以及拉力構(gòu)件等等都會(huì)影響建筑物的整體布局。建筑構(gòu)件的布局、強(qiáng)度等級(jí)以及配筋構(gòu)造都是建筑物具體構(gòu)件的體現(xiàn)。綜合以上因素，建筑方案結(jié)構(gòu)需要專業(yè)知識(shí)豐富且熟知設(shè)計(jì)規(guī)范的工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)，而且在設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮各構(gòu)件直接的受力特性，從而選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

三、房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

（一）優(yōu)化技術(shù)的基本原則

在工程設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，必須以工程設(shè)計(jì)和工程價(jià)值為基本原則。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是充分利用建筑材料，實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件利用的最大化。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅遵守建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，更實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今建筑的審美學(xué)和價(jià)值學(xué)。通過深化改善房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)建筑功能更加協(xié)調(diào)完善，降低建筑成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化必須從實(shí)際工程施工出發(fā)，結(jié)合房屋結(jié)構(gòu)的具體情況，實(shí)現(xiàn)房屋建筑的結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，必須依據(jù)設(shè)計(jì)意圖，采用平面設(shè)計(jì)布局，降低構(gòu)件質(zhì)量和剛度之間的差異，減小水平負(fù)載造成的房屋扭曲，在豎直方向上采用轉(zhuǎn)換層技術(shù)，有效地降低構(gòu)件的集中用力。

（二）優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本的要點(diǎn)

1.依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范

工程師在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)必須具備豐富的建筑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及熟知設(shè)計(jì)規(guī)范。即依據(jù)科學(xué)的設(shè)計(jì)理念，將自身的優(yōu)化方案融于整個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中去。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范更多是對(duì)于工程較大的項(xiàng)目，因而會(huì)造成某些規(guī)定過于保守。另外，在工程設(shè)計(jì)比較特殊或復(fù)雜時(shí)，依據(jù)某些規(guī)定將會(huì)造成建筑物的不安全。因此，這就要求設(shè)計(jì)師在建筑設(shè)計(jì)過程中必須具備良好的專業(yè)素質(zhì)以及清醒的思路、正確的判斷力，爭(zhēng)取將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做到最優(yōu)。

優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注重建筑構(gòu)件的細(xì)節(jié)優(yōu)化，如：建筑構(gòu)件的受力鋼筋，在滿足塑性的條件下盡可能的選擇性價(jià)比較高的產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)、安全。

2.結(jié)構(gòu)師主動(dòng)參與建筑設(shè)計(jì)

在工程施工前期以及施工過程中，建筑結(jié)構(gòu)師的主動(dòng)參與對(duì)整個(gè)房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到關(guān)鍵性作用。在實(shí)際的工程施工過程中，建筑設(shè)計(jì)師往往不能夠?qū)φ麄€(gè)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行很好的受力分析，即建筑結(jié)構(gòu)師的設(shè)計(jì)理念以及其自身具備的經(jīng)驗(yàn)不能完全代替設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思想，同時(shí)，建筑與結(jié)構(gòu)上專業(yè)知識(shí)的隔閡也無法彌補(bǔ)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師其豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及專業(yè)設(shè)計(jì)理論，積極主動(dòng)的為設(shè)計(jì)師出謀劃策，只有兩者的順利合作才能設(shè)計(jì)出更加優(yōu)秀的方案。

目前，我國的房屋建筑設(shè)計(jì)總是先從建筑的結(jié)構(gòu)布局開始，根據(jù)結(jié)構(gòu)承載負(fù)荷的不同分析所需的材料、參數(shù)等，往往這種分析方法是計(jì)算機(jī)所不能計(jì)算出的，它需要建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師充分論證整個(gè)建筑設(shè)計(jì)方案之后做出的判斷。而這些判斷需依據(jù)實(shí)際工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所遵循的一般規(guī)律進(jìn)行。

3.加強(qiáng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間的合作

優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)整體而系統(tǒng)的工作，它需要團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)調(diào)合作?，F(xiàn)代建筑主要由結(jié)構(gòu)、設(shè)備、建筑三大要素組成。因此，在工程施工過程中要明細(xì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部分工，并做好團(tuán)隊(duì)合作，只有這樣才能有機(jī)的結(jié)合各個(gè)構(gòu)件創(chuàng)造出更加完美的作品。在建筑工程設(shè)計(jì)階段，房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)是不可分割的，只有協(xié)調(diào)好兩者之間的關(guān)系，才能設(shè)計(jì)出更加美觀大方的建筑方案，同時(shí)，又降低了建筑成本，簡(jiǎn)化施工過程，達(dá)到既美觀又實(shí)用的建筑效果。通常建筑設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)建筑時(shí)，只是一味的要求設(shè)計(jì)方案的新奇，而忽略了建筑學(xué)中基本的力學(xué)關(guān)系，這樣設(shè)計(jì)出的方案往往在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上造成困難。因此，團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)調(diào)合作是房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要保障。

4.優(yōu)化房屋建筑結(jié)構(gòu)，解決房屋抗震問題

房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化不僅僅能降低建筑成本、增加建筑美觀、簡(jiǎn)化施工過程，更能加強(qiáng)房屋的抗震作用。通過房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，可以增加房屋抵抗外部作用的破壞，有效地降低房屋破壞程度。因此，在房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，抵抗外界各種不良因素的影響成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的主要內(nèi)容。在日常的外界不良因素中，地震是最難以預(yù)測(cè)且對(duì)房屋建筑物破壞最強(qiáng)的，所以在房屋計(jì)算及構(gòu)造上必須加強(qiáng)抗震措施。如：房屋構(gòu)件剛度的對(duì)稱性以及均勻性都可以有效的緩解地震對(duì)建筑物的破壞；多道防設(shè)設(shè)計(jì)理念可以有效緩沖特大地震對(duì)房屋主構(gòu)件的破壞。以上這些設(shè)計(jì)思想都是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

四、總結(jié)

工程造價(jià)對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益起著關(guān)鍵性作用，因此優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅可以降低整個(gè)工程的造價(jià)成本，更能提升整體房屋的安全級(jí)別。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)配合，充分發(fā)揮其自身的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的房屋結(jié)構(gòu)。在平面設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)遵循對(duì)稱、均勻的原則，縮小房屋構(gòu)建質(zhì)量與剛度之間的差異。在豎直布置上，保證上下承重件負(fù)載的上下貫通。建筑是藝術(shù)的表現(xiàn)，在保證房屋安全的前提下，結(jié)構(gòu)師應(yīng)敢于創(chuàng)新，將房屋的實(shí)用性與藝術(shù)性完美的結(jié)合在一起。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯貫澤，劉樹堂.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009，2（8）：148-150.

[2]陽維.房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與問題分析[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012，2（12）：72-74.

優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法范文第2篇

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化方法；概念設(shè)計(jì)優(yōu)化

一個(gè)建筑要達(dá)到精美的效果，設(shè)計(jì)師需要把其美觀設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來。為實(shí)現(xiàn)在有限的空間、有限的資源的情況下，發(fā)揮出最大效果，最終達(dá)到經(jīng)濟(jì)化、實(shí)用性和適用性的良好目標(biāo)，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要采取適用、經(jīng)濟(jì)、安全、便于施工和美觀這五種效果措施。而在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以滿足這一要求，保證建筑美觀、造型優(yōu)美，同時(shí)又能夠便于房屋的施工，使房屋安全、經(jīng)濟(jì)、適用，從而真正成為“經(jīng)濟(jì)適用”房[1]。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的理論基礎(chǔ)

在進(jìn)行工程項(xiàng)目和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，需要考慮的因素很多，最終目的是要在保證設(shè)計(jì)對(duì)象基本適用功能和安全可靠性的情況下，把設(shè)計(jì)對(duì)象設(shè)計(jì)到最好的程度。這就涉及到工程和結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的問題。用科學(xué)的語言來描述就是：利用確定的數(shù)學(xué)方法，在所有可能的設(shè)計(jì)方案的集合中，搜索到能夠滿足預(yù)定目標(biāo)的、最令人滿意的方案[2]。

從建筑理論上分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以得知，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，其一是房屋工程部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其二是房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。后者的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。穿插其中的，還包含選型、布置、受力分析、造價(jià)分析等項(xiàng)目，在實(shí)施過程中，應(yīng)遵循一定的原則，結(jié)合具體工程的實(shí)際情況，從實(shí)際出發(fā)，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)安全被保證的情況下，建筑師應(yīng)開拓創(chuàng)新，挑戰(zhàn)新的結(jié)構(gòu)形式。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，建筑師的設(shè)計(jì)意圖應(yīng)能夠得到基本滿足，應(yīng)設(shè)置盡量符合規(guī)則的平面布局，使其對(duì)稱；同時(shí)減少質(zhì)量中心和剛度中心的差異，使建筑物在水平荷載作用下不致于產(chǎn)生太大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在豎直方向的布置上，應(yīng)確保在滿足功能要求的情況下，盡最大可能貫通豎向的承重構(gòu)件；為使結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)上的難度不致于太大，減少不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，使應(yīng)力分散，轉(zhuǎn)化層應(yīng)盡可能少地使用；豎直方向的剛度要漸變，而不要突變，如若不然，在水平荷載作用下，突變處會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是非常不利于結(jié)構(gòu)抵抗水平動(dòng)力荷載的[3]。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的意義所在

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以起到非常好的效果，這不僅可以使房屋看起來更加美觀，用起來更加實(shí)在，而且也能夠節(jié)省大量的造價(jià)，起到良好的效果。采用設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法與采用傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法相比優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的，它可以使建筑工程造價(jià)得到大幅度降低，降幅可達(dá)30%左右。要實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方法的技術(shù)性問題，材料的性能要合理利用起來，爭(zhēng)取協(xié)調(diào)好建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各單元，達(dá)到建筑規(guī)范所規(guī)定的安全水平。同時(shí)，優(yōu)化方法的技術(shù)性實(shí)現(xiàn)還可以合理決策建筑整體性方案設(shè)計(jì)，它可以有效實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)化、實(shí)用性和適用性的良好目標(biāo)。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的步驟

（一）結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

房屋結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分以按3 個(gè)步驟進(jìn)行。首先，選擇設(shè)計(jì)變量。一般把對(duì)設(shè)計(jì)要求起主要影響作用的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，如目標(biāo)控制參數(shù)（結(jié)構(gòu)造價(jià)C1 和損失期望C2）和約束控制參數(shù)（結(jié)構(gòu)的可靠度PS）；而將那些對(duì)設(shè)計(jì)要求來講，變化范圍不大或是根據(jù)結(jié)構(gòu)要求或局部性的設(shè)計(jì)考慮就能滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)等作為預(yù)定參數(shù)，這可以大大減少設(shè)計(jì)、計(jì)算和編制程序的工作量；其次，確定目標(biāo)函數(shù)。尋求一組滿足預(yù)定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率，從而使總費(fèi)用最??；第三，確定約束條件。房屋結(jié)構(gòu)基于可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件，則包括尺寸約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、應(yīng)力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構(gòu)件單元約束、結(jié)構(gòu)體系約束、從正常使用極限狀態(tài)下的彈性約束到最終極限狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件等。在設(shè)計(jì)中，要使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際房屋結(jié)構(gòu)工程，則是路房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)際的約束條件與目標(biāo)約束條件相比較，保證各約束條件都符合現(xiàn)行規(guī)范的要求，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

（二）設(shè)定優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方案

房屋結(jié)構(gòu)基于可靠度的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題屬于比較復(fù)雜的多變量、多約束非線性優(yōu)化問題，一般情況下，在計(jì)算過程中，應(yīng)轉(zhuǎn)化問題求解，即將有約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束問題?？梢岳闷饋淼膬?yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法有復(fù)合形法、拉氏乘子法、Powell 法等。

（三）進(jìn)行程序設(shè)計(jì)

根據(jù)基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型和選擇的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法，編制功能齊全、運(yùn)算速度快的綜合程序。

（四）結(jié)果分析

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。在上述步驟的執(zhí)行過程中，涉及的問題包括多個(gè)方面，所以要全方位、多角度地考慮。這主要是因?yàn)榻ㄔO(shè)投資這項(xiàng)工程的耗資非常大，涉及到的情況非常多，在設(shè)計(jì)中片面強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)節(jié)約是不正確的。應(yīng)滿足技術(shù)上的相應(yīng)要求，使項(xiàng)目達(dá)到相應(yīng)的功能要求，與此同時(shí)，要反對(duì)重視技術(shù)，輕經(jīng)濟(jì)、設(shè)計(jì)保守浪費(fèi)的現(xiàn)象。

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）直覺優(yōu)化（概念設(shè)計(jì)優(yōu)化）技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于同一建筑方案，可以有許多不同的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)；確定了結(jié)構(gòu)布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法：分析過程中設(shè)計(jì)參數(shù)、材料、荷載的取值也不是惟一的：建筑物細(xì)部的處理更是不盡相同，這些問題是計(jì)算機(jī)無法完全解決的，都需要設(shè)計(jì)人員自己作出判斷[4]。而判斷只能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律指導(dǎo)下，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，這便是前面所說的概念設(shè)計(jì)。因此，概念設(shè)計(jì)存在于設(shè)計(jì)師對(duì)多種備選方案進(jìn)行選擇的過程中。

（二）概念設(shè)計(jì)處理的實(shí)際建筑設(shè)計(jì)問題

概念設(shè)計(jì)所要處理的問題多種多樣。但可以肯定的是希望通過概念設(shè)計(jì)，建筑結(jié)構(gòu)能在各種不期而遇的外部作用下不受破壞，或?qū)⑵茐某潭冉抵磷畹?。因此，分析如何?yīng)付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。其中，地震作用最為難以琢磨，破壞性也最大。故而，建筑設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)該未雨綢繆，從計(jì)算及構(gòu)造等各個(gè)方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應(yīng)盡量避免。剛度均勻、對(duì)稱是減小地震在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不利影響的重要手段；延性設(shè)計(jì)則能有效地防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生脆性破壞；多道設(shè)防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構(gòu)件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設(shè)防思想在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中都應(yīng)該作為概念設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)思想。

總而言之，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究涉及面廣泛，具有十分復(fù)雜的特點(diǎn)，是一項(xiàng)綜合決策問題。適用、經(jīng)濟(jì)、安全、便于施工和美觀是建筑工程設(shè)計(jì)優(yōu)化追求的五種效果，而這五個(gè)方面的側(cè)重點(diǎn)各不相同，相互之間又存在一些矛盾的地方，一個(gè)優(yōu)秀設(shè)計(jì)的出現(xiàn)往往

是這五個(gè)方面的最佳結(jié)合。所以，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的實(shí)踐過程中，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐探索，降低經(jīng)濟(jì)成本，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化，從而在保證經(jīng)節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本和達(dá)到美觀要求的情況下合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]王智鋒，孫之如. 建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的優(yōu)化[J]. 河南水利與南水北調(diào). 2010（09）

[2]李鋒. 淺談現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 科技資訊. 2010（26）

優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法范文第3篇

【關(guān)鍵詞】房屋建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

0.引言

隨著我國房地產(chǎn)行業(yè)的快速發(fā)展，房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也在不斷響應(yīng)時(shí)代的要求。在房屋緊缺的年代，房屋的實(shí)用性是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的最主要因素。如今，時(shí)代在變化，對(duì)房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求從實(shí)用性轉(zhuǎn)變成為了實(shí)用性與美觀性并存。同時(shí)對(duì)房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要考慮到房屋施工的時(shí)間與材料等一系列因素。房屋建筑的設(shè)計(jì)理念是房屋施工建設(shè)的重要內(nèi)容，因此房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)我國房屋建筑行業(yè)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1.房屋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型和設(shè)計(jì)方案

房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要在：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。除此之外，在優(yōu)化的過程中還要考慮到布置、受力分析、造價(jià)分析等方面，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終達(dá)到預(yù)想的優(yōu)化目的。在設(shè)計(jì)的過程中，一定要嚴(yán)格的遵照設(shè)計(jì)的理念，對(duì)于平面的設(shè)計(jì)一定要規(guī)則對(duì)稱是剛性度有質(zhì)量中心最大限度的重合，這樣對(duì)于整體的質(zhì)量框架能夠更加的堅(jiān)固。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以使工程更加的有保證，對(duì)于整體設(shè)計(jì)理念更加的符合工程的要求。

1.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的函數(shù)模型

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化就是在各種影響變量中選擇主要參數(shù)，并建立函數(shù)模型，運(yùn)用科學(xué)合理的方法得出最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化建立模型的大致步驟是：設(shè)計(jì)變量的合理選擇。通常的設(shè)計(jì)變量選擇對(duì)設(shè)計(jì)要求影響較大的參數(shù)，將所涉及的參數(shù)按照各自的重要性區(qū)分，將對(duì)變化影響不大的參數(shù)定為預(yù)定參數(shù)，通過這種方法可減少很多計(jì)算編程的工作量。目標(biāo)函數(shù)的確定。使用函數(shù)找出滿足既定條件的最優(yōu)解。最后，約束條件的確定。

1.2房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法

（1）當(dāng)結(jié)構(gòu)平面圖在繪制結(jié)構(gòu)平面布置圖時(shí)，需要輸入結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行建模。建筑物根據(jù)設(shè)防類別、烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和構(gòu)造措施要求。

（2）屋頂（面）結(jié)構(gòu)圖當(dāng)建筑是坡屋面時(shí)，結(jié)構(gòu)處理方式有梁板與及折板式兩種。梁板式適用于建筑平面不規(guī)整，板跨度較大，屋面坡度及屋脊線轉(zhuǎn)折復(fù)雜的坡屋面，折板式適用于相反的條件。兩種形式的板均為偏心受拉構(gòu)件。板配筋時(shí)應(yīng)有部分或全部的板負(fù)筋拉通以抵抗拉力。

1.3房屋建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)多個(gè)變量、多個(gè)約束條件，屬于一個(gè)非線性的優(yōu)化問題，設(shè)定計(jì)算方案時(shí)，常將有約束條件轉(zhuǎn)變?yōu)闊o約束條件來計(jì)算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法等。完成計(jì)算方案的設(shè)定后只需編制相應(yīng)適用的運(yùn)算程序即可得到我們的最終優(yōu)化結(jié)果。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在應(yīng)用中注意事項(xiàng)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要應(yīng)用在對(duì)于房屋建設(shè)的整體規(guī)劃、地基建設(shè)、抗震設(shè)計(jì)、水電管道設(shè)計(jì)中都發(fā)揮著重要的作用。房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以使房屋的實(shí)用性與美觀性達(dá)到完美的融合，還可以降低工程的運(yùn)行成本，提高建設(shè)效率。但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在應(yīng)用中還需要注意一下幾個(gè)方面：

2.1前期方案

前期方案是整個(gè)工程運(yùn)作開始的階段，也是非常重要的階段，因?yàn)樗苯記Q定了工程建筑的成本預(yù)算。如果房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)沒有與前期方案的制定進(jìn)行協(xié)調(diào)，就會(huì)造成各司其職，不能完成最后的和諧統(tǒng)一。因此未來的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該參與到建筑師對(duì)房屋建筑的設(shè)計(jì)中去，互相聽取雙方的意見，達(dá)到利益的最大化。良好的開始是成功的一半，因此前期方案要充分考慮到對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能產(chǎn)生的問題，雙方深入的討論，直至達(dá)成一致的意見，互惠互利，降低建筑投資總成本。

2.2細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

概念設(shè)計(jì)應(yīng)用于沒有具體數(shù)值量化的情況，設(shè)計(jì)過程中需要設(shè)計(jì)人員靈活的運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，達(dá)到最佳的效果。與宏觀把握相對(duì)應(yīng)的，設(shè)計(jì)的過程同時(shí)要注意對(duì)于細(xì)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，比如現(xiàn)澆板中的異形板拐角處易出現(xiàn)裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I級(jí)鋼和冷軋帶肋鋼市場(chǎng)價(jià)格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現(xiàn)澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義

3.1節(jié)約建筑成本

對(duì)于企業(yè)來說，獲得利益是最終的目標(biāo)。獲得收益是企業(yè)發(fā)展的目的，尤其是建筑行業(yè)。隨著人們對(duì)房屋結(jié)構(gòu)要求的提高，以前的工程設(shè)計(jì)圖與施工方案很難滿足人們的要求，而且舊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，也會(huì)增加企業(yè)的成本，使企業(yè)獲得的收益降低。因此各個(gè)建筑行業(yè)都要尋求一個(gè)兩全其美的辦法，既能夠節(jié)約建筑成本，又可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還可以滿足人們的需求。這就需要對(duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改革。

3.2提高房屋建筑結(jié)構(gòu)實(shí)用性

如今土地資源緊缺，經(jīng)過政府的合理的城市規(guī)劃，提出了改善房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的辦法。近年來我國高層建筑鱗次櫛比，已經(jīng)逐漸形成了建筑設(shè)計(jì)的特色。為了應(yīng)對(duì)高層樓房的現(xiàn)實(shí)因素，也需要對(duì)房屋建設(shè)的總體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)用性。房屋的設(shè)計(jì)要考慮到安全的因素，房屋的層級(jí)不同，對(duì)施工的要求也會(huì)不斷增加，相關(guān)材料的使用標(biāo)準(zhǔn)也是不同的。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化要考慮到流水管道的排列問題，電線在墻體的走向問題、媒體管道的安置問題、還有地?zé)峁┡艿赖呐帕袉栴}等等。同時(shí)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者還要考慮不同樓層的采光條件，還有室內(nèi)格局。好的格局也是人們選擇房屋的關(guān)鍵。各種實(shí)際問題都構(gòu)成了房屋建筑的實(shí)用性問題。因此對(duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，可以很好的解決上述問題帶給人們的困擾，提供給人們一個(gè)安心、舒心的住宅環(huán)境。近年來，人們對(duì)住宅的美觀性也在不斷提升，這跟房屋的格局，和整棟樓房的整體形態(tài)有關(guān)，為了不斷適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求，滿足人們的各種需求，要求我們要對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與應(yīng)用。

4.結(jié)語

對(duì)于房屋建設(shè)來說，房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以節(jié)約房屋建設(shè)的成本，提高房屋建設(shè)的效率，不僅可以提高專業(yè)技術(shù)的指標(biāo)，而且還能符合廣大受眾的需求。本文通過對(duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的模型和設(shè)計(jì)方案，提出了一些好的措施，針對(duì)現(xiàn)行的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，提出相應(yīng)的解決方案。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以設(shè)計(jì)出更合理的房屋建造模式。滿足人們對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的要求，設(shè)計(jì)出高質(zhì)量、安全、舒適、健康的生存環(huán)境。推進(jìn)我國建筑行業(yè)向更廣闊的方向發(fā)展。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法范文第4篇

課程改革的一個(gè)重要目標(biāo)是追求教與學(xué)的高效，為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，導(dǎo)學(xué)案輔助學(xué)生自主學(xué)習(xí)便應(yīng)運(yùn)而生。教師希望通過導(dǎo)學(xué)案將學(xué)生的學(xué)習(xí)前置，使學(xué)生在課堂上有備而來，從而達(dá)到高效學(xué)習(xí)的目的。但在教學(xué)中卻發(fā)現(xiàn)有的導(dǎo)學(xué)案問題設(shè)計(jì)隨意，缺乏科學(xué)性和系統(tǒng)性。這樣的導(dǎo)學(xué)案用于導(dǎo)學(xué)，只能讓學(xué)生費(fèi)神，從而導(dǎo)致預(yù)習(xí)達(dá)不到預(yù)期效果。筆者希望通過透視學(xué)案問題設(shè)計(jì)中的誤區(qū)，找出問題的癥結(jié)，進(jìn)而為政治學(xué)科導(dǎo)學(xué)案的優(yōu)化提出自己的思考。

一、高中政治學(xué)案設(shè)計(jì)中的誤區(qū)

1．導(dǎo)學(xué)案問題設(shè)計(jì)習(xí)題化。有些教師將導(dǎo)學(xué)案“知識(shí)問題化”誤解為“知識(shí)習(xí)題化”，于是導(dǎo)學(xué)案被異化為習(xí)題的堆砌，完全喪失了導(dǎo)學(xué)案的價(jià)值和功能。例如，高三年級(jí)政治導(dǎo)學(xué)案摘錄。問題1：財(cái)政和貨幣政策的運(yùn)用(C)2013．山東卷2012年，我國綜合運(yùn)用各種手段對(duì)國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期調(diào)控目標(biāo)。下列調(diào)控目標(biāo)、調(diào)控政策、具體措施三者對(duì)應(yīng)最恰當(dāng)?shù)氖?)A．控物價(jià)——穩(wěn)健的貨幣政策——嚴(yán)控對(duì)高能耗、高污染行業(yè)的貸款。B．穩(wěn)增長(zhǎng)——積極的財(cái)政政策——減輕服務(wù)業(yè)和小微型企業(yè)稅收負(fù)擔(dān)。C．調(diào)結(jié)構(gòu)——積極的財(cái)政政策——下調(diào)金融機(jī)構(gòu)一年期存貸款基準(zhǔn)利率。D．惠民生——穩(wěn)健的貨幣政策——加大對(duì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的財(cái)政支持力度。

導(dǎo)學(xué)案不排斥習(xí)題，但導(dǎo)學(xué)案絕不是習(xí)題的堆砌。所以設(shè)計(jì)學(xué)案要有提煉問題的意識(shí)和能力。

2．導(dǎo)學(xué)案問題設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化。導(dǎo)學(xué)案問題設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化主要表現(xiàn)在：?jiǎn)栴}設(shè)計(jì)思維含量低，例如，宏觀調(diào)控的手段有哪些？市場(chǎng)調(diào)節(jié)缺陷有哪些？這樣的問題，純碎為了知識(shí)記憶而設(shè)計(jì)，學(xué)生只需要在書本上找找答案，就能回答，問題設(shè)計(jì)思維含量低，不能引導(dǎo)學(xué)生去自主思考和探究，體現(xiàn)不出學(xué)生的思維。如果改為：“材料中政府運(yùn)用了哪些宏觀調(diào)控的手段？材料中體現(xiàn)了市場(chǎng)調(diào)節(jié)的哪些缺陷？”這樣把問題融入到材料中，結(jié)合材料考察學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力，學(xué)生只憑死記硬背無法完成，必須要進(jìn)行思考才能解決。

3．導(dǎo)學(xué)案問題設(shè)計(jì)模糊化。導(dǎo)學(xué)案上的問題設(shè)計(jì)形式古板單一，缺少導(dǎo)學(xué)應(yīng)有的層次化，學(xué)生的思維受到導(dǎo)學(xué)案問題的影響，被束縛在十分狹小的空間，思維水平的提升受到制約。教師在設(shè)置探究問題時(shí)要圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)，設(shè)計(jì)出能激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考的問題，使問題具有層次性。如在學(xué)習(xí)政治生活《政府的責(zé)任：對(duì)人民負(fù)責(zé)》一課時(shí)，政府對(duì)人民負(fù)責(zé)的原則是本課的重點(diǎn)問題。設(shè)計(jì)問題時(shí)應(yīng)從是什么、為什么、怎么做這三個(gè)層面進(jìn)行。這樣的設(shè)問，層次清楚，步步深入，容易激發(fā)學(xué)生探究的欲望。這樣的安排雖然打破框題限制，但適合學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，并與已有的知識(shí)技能相聯(lián)系，既符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，也符合知識(shí)的內(nèi)在邏輯聯(lián)系。

二、高中政治學(xué)案優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法

1．問題設(shè)計(jì)要層次化。自主學(xué)習(xí)的問題是導(dǎo)學(xué)案的主要內(nèi)容。探究問題要分層設(shè)置。問題的層次性，是指學(xué)案的學(xué)習(xí)內(nèi)容安排要符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，知識(shí)的生成規(guī)律，做到先易后難，循序漸進(jìn)。課堂探究的問題要有思維的梯度，體現(xiàn)由易到難，能引導(dǎo)學(xué)生由淺入深、層層深入地認(rèn)識(shí)知識(shí)、理解知識(shí)，掌握知識(shí)。如“我國的政黨制度如何？”很明顯，這個(gè)問題范圍過大、太籠統(tǒng)，學(xué)生遇到這樣的問題很難完成。這時(shí)，教師可將這個(gè)問題在學(xué)案上盡一步細(xì)化為：?jiǎn)栴}一、我國政黨制度的內(nèi)容有哪些？問題二、我國政黨制度的優(yōu)越性如何？問題3：公有制的主體地位如何體現(xiàn)？問題4：國有經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)作用如何體現(xiàn)？

2．問題設(shè)計(jì)要情境化。好的情境材料不僅有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更有利于學(xué)生去積極思維，快速地提取相關(guān)信息，從而得出正確的結(jié)論。如在講授價(jià)值判斷和價(jià)值選擇的主體性時(shí)，教師可提供詩句：“桑條無葉土生煙，簫管迎龍水廟前。朱門幾處看歌舞，猶恐春陰咽管弦?！弊寣W(xué)生去自主學(xué)習(xí)。生思考：在同時(shí)同地農(nóng)民和地主的價(jià)值選擇為什么會(huì)不同？學(xué)生很自然想到他們的階級(jí)不同，需要不同，所以會(huì)做出不同的價(jià)值選擇。在學(xué)案設(shè)計(jì)中，如果我們只是直接地去向?qū)W生提供探究的問題，學(xué)生會(huì)感到茫然而無從下手。

3．問題設(shè)計(jì)要具體化。學(xué)案要學(xué)生學(xué)有目標(biāo)，更要使學(xué)生會(huì)學(xué)，這樣學(xué)生才能想學(xué)。學(xué)生在使用學(xué)案進(jìn)行自主學(xué)習(xí)時(shí)，設(shè)計(jì)的每個(gè)問題后面都能找到老師精心設(shè)計(jì)的學(xué)法，這樣學(xué)生自學(xué)的效果顯著提高。導(dǎo)學(xué)導(dǎo)思的內(nèi)容形式多樣，內(nèi)容不限，只要能有助于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)即可。例如，學(xué)習(xí)文化生活第四課《文化的繼承性與文化發(fā)展》一課，對(duì)待傳統(tǒng)文化的正確態(tài)度是本課的重點(diǎn)問題。在學(xué)案設(shè)計(jì)時(shí)可以結(jié)合“二十四孝圖”的故事，進(jìn)行辯證法分析。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)到孝敬父母是中華民族傳統(tǒng)文化的精髓，應(yīng)該提倡；但“二十四孝圖”中的“刻木事親”“埋兒奉母”的故事讓人感到冷酷無情；“孝感動(dòng)天”“臥冰求鯉”“哭竹生筍”迷信思想嚴(yán)重；這些具體做法不可取。因此，對(duì)待傳統(tǒng)文化一定要做到取其精華，去其糟粕。這樣有利于學(xué)生學(xué)會(huì)正確分析的方法，提高了學(xué)生全面、辯證分析事物的能力。

優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法范文第5篇

關(guān)鍵詞：隔膜泵；隔膜腔；機(jī)械強(qiáng)度；ANSYS

中圖分類號(hào)：TH323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作為高壓隔膜泵液力端的核心部件，隔膜腔在輸送固液兩相流體過程中起到了非常重要的作用。隔膜腔用于連接隔膜室蓋、進(jìn)料閥和出料閥，因此隔膜腔的設(shè)計(jì)過程中需要考慮流體壓力、螺栓預(yù)緊力和其他因素的影響。本文以某大型高壓隔膜泵中隔膜腔為研究對(duì)象，基于有限元方法對(duì)隔膜腔進(jìn)行了靜力強(qiáng)度分析。通過ANSYS的后處理分析模塊獲得了隔膜腔的應(yīng)力分布，扭曲和應(yīng)力線性化結(jié)果。根據(jù)ASME VIII-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隔膜腔的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了校核，并在此基礎(chǔ)上對(duì)隔膜腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。分析結(jié)果可為隔膜腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和降低成本提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 有限元模型的建立

圖1（a）給出了隔膜腔的剖面圖，從圖中可以看出兩個(gè)內(nèi)腔圓角和最小壁厚分別用R1，R2和d表示。通過三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks畫出隔膜腔的1/4對(duì)稱模型，如圖1（b）所示。隔膜腔的材料采用ZG20Mn，材料屬性如下：拉伸強(qiáng)度σb為510MPa，屈服極限σs為295MPa。根據(jù)ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，材料的許用應(yīng)力可通過下式計(jì)算出來。

Sm=min（σb/2.4， σs/1.5）（1）

將SolidWorks建立的隔膜腔幾何模型輸出為SAT格式檔并導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS，在ANSYS的前處理模塊對(duì)隔膜腔劃分網(wǎng)格。應(yīng)力集中區(qū)域需要局部網(wǎng)格加密，最后獲得隔膜腔有限元模型的單元數(shù)為173812，節(jié)點(diǎn)數(shù)為36952。根據(jù)隔膜泵實(shí)際的工作狀態(tài)，定義隔膜腔的邊界條件和載荷如下：隔膜腔的對(duì)稱面施加對(duì)稱邊界約束，定義隔膜腔和隔膜室蓋螺栓連接處施加600000N的預(yù)緊力，隔膜腔和出料閥螺栓連接處定義80000N的螺栓預(yù)緊力，隔膜腔內(nèi)受液體壓力的面施加20MPa的壓力。圖2給出了隔膜腔的載荷約束圖。

2 應(yīng)力分類及強(qiáng)度評(píng)定

圖3給出了隔膜腔的Von Mises應(yīng)力圖和位移云圖。從圖中可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在隔膜腔的相貫線處。根據(jù)ASME VIII-2標(biāo)準(zhǔn)，定義了用于強(qiáng)度校核的四條線性化的應(yīng)力計(jì)算路徑，如圖4所示。選擇這些路徑的原理如下：沿著壁厚的方向，根據(jù)最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)定義一條或多條應(yīng)力計(jì)算路徑。應(yīng)力線性化計(jì)算路徑還應(yīng)當(dāng)在隔膜腔的應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行定義。

根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的原因、應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力的性質(zhì)，壓力容器應(yīng)力可以大致分為：主整體膜應(yīng)力（Pm），主局部膜應(yīng)力（PL），主彎曲應(yīng)力（Pb）和次應(yīng)力（Q）。利用這些應(yīng)力和如下的校核方法可對(duì)隔膜腔的強(qiáng)度進(jìn)行校核：主總體膜應(yīng)力的等效值應(yīng)當(dāng)小于金屬材料的許用應(yīng)力（Sm）?？紤]到應(yīng)力的位置，主局部膜應(yīng)力的等效值應(yīng)當(dāng)小于1.5倍材料許用應(yīng)力（1.5Sm）。根據(jù)極限載荷設(shè)計(jì)理論，當(dāng)膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力同時(shí)存在時(shí)，他們的和應(yīng)當(dāng)小于1.5倍的材料許用應(yīng)力（1.5Sm）。更進(jìn)一步考慮次應(yīng)力的限制條件時(shí)，Pm（PL）+Pb+Q應(yīng)當(dāng)小于3倍的材料許用應(yīng)力（3Sm）。

通過ANSYS的后處理模塊，畫出了沿著四條應(yīng)力計(jì)算路徑的等效應(yīng)力變化曲線，如圖5所示。四條應(yīng)力計(jì)算曲線的最大等效應(yīng)力列在了表1中。

表1 不同路徑的最大等效應(yīng)力

路徑 薄膜應(yīng)力（MPa） 薄膜+彎曲（MPa） 總應(yīng)力（MPa）

1 40.12 84.25 90.74

2 33.25 82.03 94.22

3 44.45 66.49 62.83

4 45.38 58.16 62.85

將表1中的應(yīng)力數(shù)據(jù)帶入應(yīng)力校核公式，可獲得隔膜腔的應(yīng)力校核結(jié)果，如式2-5所示。結(jié)果表明隔膜腔的應(yīng)力滿足強(qiáng)度使用要求。

Pm=40.12MPa

PL=45.38MPa< 1.5Sm=295.05MPa （3）

Pb +PL=84.25MPa< 1.5Sm=295.05MPa（4）

Pb +PL+Q=94.22MPa< 3Sm=590.1MPa（5）

通過修改隔膜腔的結(jié)構(gòu)來優(yōu)化隔膜腔的結(jié)構(gòu)并降低制造成本。結(jié)構(gòu)的修改方法如下：保持內(nèi)腔幾何尺寸不變，壁厚減小30mm，修改結(jié)構(gòu)前后的模型對(duì)比如圖6所示。

根據(jù)相同的應(yīng)力分析方法，用ANSYS軟件對(duì)修改結(jié)構(gòu)后的隔膜腔進(jìn)行應(yīng)力分析。修改結(jié)構(gòu)后的隔膜腔的應(yīng)力線性化路徑的定義位置與改結(jié)構(gòu)之前的位置相同。修改結(jié)構(gòu)的隔膜腔的最大等效應(yīng)力列在表2中。

表2 不同路徑的最大等效應(yīng)力

（修改結(jié)構(gòu)）

路徑 薄膜應(yīng)力（MPa） 薄膜+彎曲 （MPa） 總應(yīng)力（MPa）

1 60.38 137.25 148.67

2 50.42 128.57 155.38

3 68.76 109.32 126.04

4 69.81 97.49 132.72

根據(jù)表2中的等效應(yīng)力，按照ASME VIII-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隔膜腔的強(qiáng)度進(jìn)行校核，可以看出修改結(jié)構(gòu)后的隔膜腔同樣滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

通過對(duì)用于遠(yuǎn)距離管道輸送的某型隔膜泵隔膜腔的應(yīng)力分析和校核，可得到如下結(jié)論：

可通過有限元分析軟件ANSYS對(duì)隔膜腔進(jìn)行靜應(yīng)力分析，并且獲得了工作壓力下隔膜腔的最大應(yīng)力位置和最大應(yīng)力值。

根據(jù)ASME VIII-2標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)力的分類，在隔膜腔1/4對(duì)稱模型上定義了四條不同的應(yīng)力線性化計(jì)算路徑，并且通過ANSYS后處理模塊獲得了等效應(yīng)力變化曲線。隔膜腔的機(jī)械強(qiáng)度通過相關(guān)的應(yīng)力校核方法進(jìn)行了校核，結(jié)果顯示修改結(jié)構(gòu)前后的隔膜腔結(jié)構(gòu)均滿足強(qiáng)度要求。

通過減小壁厚獲得了一種新的隔膜腔結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)通過校核滿足強(qiáng)度使用要求，通過比較結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)減小了重量，降低了制造成本。

參考文獻(xiàn)

[1]ANSYS help. USA： ANSYS company，2010.