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大跨度钢结构吊点优化研究

陈博文  
【摘要】:吊点是起重吊装作业中吊物与被吊物之间连接的部位,离散分布于主梁桁架交叉点处,数量多、分布广。吊点设计是伴随多机协同吊装出现的一个离散变量优化的问题。其设计需要统筹兼顾起重机起重性能、结构自身强度等方面的因素,以及吊点数量、位置对这些因素的综合影响,因而吊点设计优化是吊装方案制定过程的重要环节。 本文以青岛海洋工程有限公司的海洋平台甲板为研究对象,在对有限元参数化技术、子结构技术、启发式优化算法以及MATLAB编程技术深入研究的基础上,提出了一种基于有限元数值方法求解不同吊点体系下的结构应变能,并以最小应变能为目标采用先进优化方法搜索最佳吊点的方案。论文的主要研究工作和研究成果如下: (1)分析海洋平台甲板这种大跨度钢结构的模型特点,抽象出不同的模型特征分类处理,即将所有的海洋平台甲板结构进行模块划分,每个模块本身是可以参数化的,然后将这种参数化的模块进行装配来建立所需要的有限元模型。同时考虑到有限元计算时间在整个优化时间的比重较大,因而利用子结构技术凝聚各模块自由度,减小节点数和计算量。这种参数化子结构模型装配的建模方案同时实现了有限元模型快速建立和节省优化机时的要求,并且计算准确。 (2)基于粒子群算法理论,考虑到结构有限元计算中存在的应力集中因数的影响,故以结构的总应变能作为目标函数,并以吊装过程中各起重机起升性能为约束条件,建立吊点优化数学模型和约束惩罚函数。基于吊点优化中的特殊性,即数量、位置的综合设计以及其离散分布等特点,故将算法进行改进,提出一种区域搜索的吊点层次优化方案,对吊点数量、位置分层搜索,总体采取外层吊点数量粗搜索,内层位置精搜索的综合优化原则,并利用二分法加速程序收敛。 (3)利用MATLAB语言科学运算的高效性,编写基于粒子群吊点层次优化程序,并将该算法和枚举法、遗传算法、模拟退火算法以及ANSYS软件自带零阶优化算法进行对比分析,验证本文方法在搜索效率和优化程度上的先进性。以上优化方法均采用APDL语言建立了ANSYS命令流文件,供程序后台调用求解目标函数。 (4)建立有限元模型,进行多吊点优化案例分析,验证本文方法的有效性。 本文的分析方法对于改进、完善工程中传统吊点设计流程和起重机选型等具有重要意义,优化结果也进一步证明,以吊点体系为设计对象的吊装方案制定更具有其科学性,不仅为其提供了更严谨的理论计算依据也为其提供了统筹设计的思路。


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