细长梁结构截面构型设计优化

【摘要】：本文根据结构在使用空间受约束和需满足结构承载能力情况下，尽量减少结构的重量，而原始所设计出的木质实心圆截面梁并不能满足设计要求。因此，为了满足设计要求，以有限元软件ANSYS为平台，以结构的性能(刚度、频率、稳定性)为评价依据，采用有限元数值分析方法，分别对不同截面构型的梁结构进行设计优化。主要工作及内容如下： 不同截面梁结构性能的比较。分析比较常用简单截面梁在受扭转载荷下结构的临界屈曲载荷，截面形状如：四边形、正三角形、圆形，以及在这在三种截面基础上衍生的截面形状（组合形式、锥形），以圆环结构的性能为比较基准，定义无量纲性能比例因子，描述不同结构性能相对圆环结构性能的优劣，计算结果显示，圆环截面的稳定性最优。分析夹芯结构的性能，比较波纹夹芯圆结构与圆环结构的性能差异，结果显示夹芯圆结构稳定性优于圆环结构，并根据这一结论，对夹芯结构展开讨论。 研究了四面体金属点阵夹芯圆筒的性能。以等外径等质量圆环为比较对象，以点阵单胞相对密度为变化参数，分析在扭转载荷下，不同点阵截面尺寸和形状、不同四面体点阵单胞构型以及不同周向点阵单胞个数对四面体点阵夹芯圆筒屈曲性能的影响规律。分别开展了在等质量圆筒和变质量圆筒下的计算比较，最后对在等质量情况下，在保证点阵相对密度为定值时，内外蒙皮厚度之间比值关系对结构性能的影响规律。计算结果表明：通过优化点阵截面形状来提升点阵夹芯结构的承载能空间有限;中空点阵截面相对实心截面有优势;周向点阵个数不同的点阵夹芯圆筒承载能力随相对密度变化趋势大致相同，总体而言，周向个数越多，点阵夹芯圆筒相对圆环结构承载能力优势越明显;当外蒙皮厚度取值为内蒙皮厚度的1.5倍时，可以有效提升点阵夹芯圆筒的承载能力。