基于优化理论的稳定型悬索桥有限元分析

【摘要】：本论文在现有悬索桥研究成果的基础上,尤其是稳定型悬索桥研究成果的基础上,针对稳定型悬索桥如何进行合理设计的难点问题,结合桥的结构形式及受力特点,应用非线性有限元理论与结构优化理论相结合的方法,先运用ANSYS通用软件实现了对桥的静动力有限元分析,进一步提出实现求解稳定型悬索桥结构优化问题的分析策略,借助ANSYS的优化设计功能实现了桥的静力优化计算,并对优化前后的静动力特性进行了对比研究,得到了有实际意义的结果。 结合稳定型悬索桥的结构形式及受力特点,对缆索、倒缆索和吊杆、倒拉杆采用空间杆单元模拟;对加劲梁和索塔采用空间梁单元来模拟;以此建立由索塔、缆索、倒缆索、吊杆、倒拉杆和加劲梁组成的整桥空间分析有限元模型。 利用大型通用软件ANSYS强大的非线性有限元分析功能及优化设计功能,采用ANSYS参数化设计语言APDL,采用连续设计变量的优化方法,同时考虑结构的几何非线性,从以下三个层次和方面入手对稳定型悬索桥进行优化: 一是稳定型悬索桥成桥前阶段,也即普通悬索桥的形成阶段,建立普通悬索桥的参数化模型,以缆索的初张力、吊杆长度和吊杆的初张力为设计变量,以缆索、吊杆、加劲梁和塔的应力限值以及吊杆的张拉力尽量均匀等为约束,使普通悬索桥承受作用于跨中的最大的200kN活载时,整个桥梁的变形最小为优化的目标,通过这一阶段的优化,便可确定在稳定型悬索桥成桥时的缆索的初张力、吊杆长度和吊杆的初张力; 二是稳定型悬索桥成桥阶段,即设置倒缆索和倒拉杆形成稳定型悬索桥的阶段,将前一阶段优化后的缆索的初张力、吊杆长度和吊杆的初张力输入稳定型悬索桥的参数化模型中,再以倒缆索的初张力、倒拉杆长度和倒拉杆的初张力为设计变量,以吊杆、倒拉杆尽量均匀的张拉力和缆索、倒缆索、吊杆、倒拉杆、加劲梁和塔的应力限值为约束,使稳定型悬索桥承受自身恒载作用时,即不承受作用于跨中的最大的200kN活载时,整个桥梁的变形最小为目标进行优化; 三是稳定型悬索侨的全局优化,参考前面两个阶段的优化结果,可以确定缆索的初张力、吊杆长度和吊杆的初张力以及倒缆索的初张力、