第六章结构发泡之设计
制造须具高强度及高刚性之大型、复杂塑品，结构发泡成形是非常理想的一个方式。虽然其加工方式类似于射出成形，但前者因有气体注入于熔融高分子形成泡孔性心核而使得塑品重量减轻多了。并且结构发泡成形为一次成形，省却了多步骤的加工费用以及可结合肋骨、浮凸物等官能性物，而呈现多样化之设计。
由于射出成形制造大形物需要极大之模压以及厚断面部分极易造成凹痕或翘曲，实不如结构发泡成形只须小模压及肉厚较薄来的方便。（注：结构发泡成形大形物，重量最大到100磅）再者，以同等重量之塑品而言，用结构发泡制造出的塑品刚性比射出成形强多了；因为结构发泡品较轻，为达同等重量势必肉厚较粗，而刚性正比于肉厚之三次方，是有此故。此章将依序讨论等构发泡成形之方法、设计所需考虑之环境因素及塑品设计。
6-1 结构发泡成形方法
结构发泡之成形法有：①传统之低压法，②高压法，③三明治成形法，④结构网状法。新的成形法是为了使表面更精细。
6-1-1 低压法
低压法是利用短射成形将计量好小于模穴体积之塑料与发泡剂射入模穴中，使气体一高分子混合物膨胀而填满整个模穴，外围部分与冷模面接触形成表皮层，内层则发泡成为多泡孔心核如图6-1所示。
由于在射出过程中，模穴并未完全充填，高射压无法传到模具，因此低的模穴压力(300～1000 psi)使得塑品有极低之残余应力，与射出成形相比，有较低之翘曲发生可能性及较佳的抗化学性。
低压法可用物理的（通常是氮气）或化学的发泡剂而达成之。物理的发泡法是用为喷嘴的射出成形机，多入口似的将气体射入模具中，因此可制造较大形物。化学发泡剂则是用单喷嘴的射出机。由低于压法只承受较小之压力，所以模具可用比钢材软之材质，以节省成本。
6-1-2 高压法
高压结构发泡成形类似于标准的射出成形法，气体一高分子熔融物于高压下(2000～20,000 psi)完全填满模穴，藉由控制压板(plateu)、模蕊之开启或滑动，使模穴体积增大而产生发泡。
由高压法产生之塑品，重量可减轻许多并有极光滑的表面，所以减少了成形后加工之费用，但若欲产生膨胀动作所增加的复杂模具费用，则甚是可观。另外深度高之塑品，因模具需膨胀之故，成形亦有困难。
6-1-3 三明治／共射出成形法
三明治结构发泡成形法含两道不同熔流于模具内。其中一道熔流不含发泡剂于塑品之外层形成一光滑之固体皮层。另一道熔流，可为同样或不同样之塑料，含发泡剂而形成泡孔状心核之内层。当用两种不同之塑料时，要注意其流变性质，并确认皮层与心核有良好之接著力。
三明治成形法基本上有下列三种：
1.ICI法（英国专利第1156217号）：利用两柱往复式螺杆（图6-2），其中一枝将模穴部分充填固体塑料，接
著另一枝则将塑流与发泡剂完全充满模穴，再将模具膨胀，制成发泡心核。ICI法之模穴压力近似于射出成形。
2. 两通道法(two-channel process)：两通道法犹如标准的低压法，皆是利用短射以制造泡孔心核。两通道法须有特
别的止流式喷嘴(shut-off nozzle)及可程序化控制的射出速度装置。发泡塑料从A通道与固体皮层材料从B通道同时射入模穴，由于系同时射出，所以此法亦称共射出(coinjection)。因为利用此法相反于浇道面之皮层厚度常小于浇道边之皮层厚度，为了克服此问题遂有了较复杂高技术之三通道法。
3. 三通道法(three-channel process)：亦称共射出，有三通道之喷嘴（图6-3）设计。此喷嘴有两通道射入固体塑
料及由另一通道射入发泡塑料。第三通道正中心的射入皮层材料，以让更多的皮层材料可达相反于浇口之表面。
并射出之模穴压为标准低压法之2.5到4.0倍，所以所用之模具需为钢材。
6-1-4 结构纲状法(structural web)
此法是模具内先部分充满固体塑料，然后以高压及高速注入氮气或空气于高分子心核，气体使高分子表面变形成波浪状并迫使其紧贴模面，维持一定的模压直到表面完全成形为止。最后气体从喷嘴中之扬上阀门(poppet valve)泄出，再顶出成品。由此法制得之产品具光滑之表面并减少了凹痕之可能性。较佳的热传送亦使此法制造较厚之塑品较省成本，其产品之横截面图可参考图6-4。
6-2 结构发泡设计之考虑
选择正确的材料及加工方式是设计者之主要工作，然而用品之使用环境对其之影响更需仔细的考虑评估。以下将依序说明之，所讨论的将以标准的低压法结构发泡成形为主，但通常亦适用于其它之成形法。
6-2-1 结构设计
当发泡为用工程热可塑性塑料时，设计者可毫无困难的在产品承受负载时，预测出应力与变形量，因为在降伏点之前，他们是呈线弹性关系的。
泡孔性心核与固体皮层，可将其视为复合体，应力在不同区而不同。对此复合体之分析，可用同等的I-梁固体断面来模拟之图6-5。
I-梁之惯性力矩推得为：Ix＝bh3－(b－bc)(h－2ts)3 12
bc＝bEc Es
其中： Ec＝心核之模数 Es＝皮层之模数 ts＝皮层之厚度 hc＝同等心核之高度上式之推演是非常正确的，然而在实际上测量心核之模数却有困难以及皮层之厚度变异性都是问题。
比较保守的分析结构发泡体，是在支点负载的环境下，将其横截面视为两外皮层而无泡孔心核（图6-6）。因此，同等的惯性力矩成为：Ix＝b(h3－hc3) 12
由于泡孔性心核可提供一些应力吸收之功能，因此省略心核所算得之值已含有安全因子。
当时间或成本不容许做更仔细的分析时，将结构发泡断面视为均质（图6-7）不失为一个好方法。由于大部分之材料商所提供之技术数据皆是由此假设而来，照著他们的导引，分析上会有较佳之结果。
结构发泡材之物性与同样材料之固体不同，最典型的如抗拉伸力，前者明显小于后者。此乃因为发泡体重量较轻以及个别的独立泡孔容易造成应力集中之故。肉厚与温度对材料之抗拉伸力影响也很大。当肉厚减少时，成形塑品之重量减少较小，所以有较高的皮层／心核比。如此一来，愈倾向于固体之状态即有愈高之抗拉伸力。由于塑料是属黏弹性，当温度增加时会使得抗拉伸力减少。
要注意抗拉伸力切莫超过材料之弹性限度。其实可能的话，设计时考虑压缩应力会比考虑抗拉伸力更佳，因为发泡体受压缩时，泡孔毁坏的机会会比受拉伸时造成之体积变量之影响来的大。
由于塑品横截面材料分布之关系，结构发泡材之抗弯折强度明显的会大于抗拉伸力。减少肉厚及降低重量减少量可使材料之抗弯折强度增加，因为在每一单位横截面会有较多之皮层。
弯折破坏有时亦可能在抗拉伸力范围内下发生，其主要的关键因子在于受弯折时，泡孔核区之最大抗拉伸力。如果从中心轴到最远的泡孔心核距离超过0.5英寸，则破坏会在材料之抗拉伸力值下发生。反之，距离在0.5英寸以内，则弯折破坏值与标准试片之公布值相近。
因为热塑性结构发泡塑料具黏弹性，所以其物性与时间，温度及负载速度休戚相关。当设计在受支点负载环境下之结构发泡体时，材料之时间－温度行为或是蠕变速度必需预做检视。预测塑品在负载下，某定点时间之行为表现，可用视模数方程序表示如下： E＝s e1＋e2
其中s＝产生之应力(psi) e1＝起始应变(in/in) e2＝受应力一段时间后，所产生之蠕应变(in/in) e1＋e2＝总应变
6-2-2 耐冲击性之设计考虑
耐冲击性对结构发泡成品极为重要，其测试方法有夏比法(charpy)、艾式法(izod)及落球法，其中落球法为最适用的一种介绍如下：利用一半径0.5英寸，10磅重之半球形钢头，从定高度自由落下而撞击测试片（图6-8），视测试片之破坏程度如何，其结果可分下列几种：
(a) 测试片完全破裂。
(b) 落球穿透过测试片。
(c) 测试片龟裂并形成0.01英寸之裂缝或更大。
所吸收之冲击能量以ft-lb单位表之，此测试值所得非常近似于塑品面临之真实情况。由于结构发泡材之高刚性，通常其所受破坏为脆裂(brittle)。若与同材之固体比之，发泡材之耐冲击性较小。当增加发泡材之厚度或重量时，其耐冲击性亦增加。若是加肋骨于发泡材上，其耐冲击性会变小，此效应可由下式解释之：
σi σ＝1＋ 1＋2 h d
其中：i＝由落球所产生的动态应力σ＝本体所产生的静态应力
h＝落球之高度 d＝静态下之形变
因为刚性愈强，在静态负载下之形变愈小。所以上式之d减小，推得动态应力i变大，而愈高的动态应力会使塑品之耐冲击性减弱。
温度对发泡材之影响也很大，温度降低会使塑品更具脆性，造成耐冲击性降低。
6-2-3 化学环境之设计考虑
由于结构发泡材之低残留应力，与同材料之固体相比，前者有较佳之耐化学性。如果塑品之最终用途是在组装或受负载下，可知的是耐化学性会减弱。
化学品对塑料之侵蚀是一种非常复杂的现象。其侵蚀机构有许多种型式，它可为化学试剂与化学键上之活化区起反应；或者是溶剂之直接侵蚀，此可由重量及尺寸上之变化而观得之。最好之测试方法是耐环境应力龟裂实验(ESCR)，即在某种化学品及应力下，测成品龟裂的敏感性，若是由于溶剂的因素而产生龟裂者称为溶剂龟裂。
因为化学品侵蚀的许多影响因素于塑品设计、成形条件、操作应力及温度范围无法完全预测知。所以最好的建议是在实际的操作环境下，小比的测试实验片(prototypes)或者是生产品。
6-2-4 高温环境下之设计考虑
所有热塑性塑料之物性皆会随温度之变化而不同，所以它是温度之函数，特别是在高温下，其性质之改变尤需注意。
对于在高温时材料之表现比较，材料商提供了两种实用的数据，一为热变形温度(heat distortion temperature, HDT)，另一为UL连续使用温度。HDT之决定法是将测试片侵入油槽中，付与66或264psi之负载于其上，以每分钟2℃之温度上升之，直到测试片被弯折0.01英寸时，记录当时之温度即为HDT。若是塑品需长期的高温下使用，则参考UL温度是一个不错的指标。此法是将测试塑品置入不同之烘箱内，以不同之温度老化之，再测其电气与机械性质，其数据之处理方式是以老化后的物性对原样品之物性比当Y轴，烘箱老化时间作X轴，然后作图之。选择尚余50％物性时之老化时间做到log值，再对老化之绝对温度倒数作图，延伸图中直线至时间为10000到11000小时之间，对应下来即可求得材料之UL连续使用温度。
考虑设计发泡塑品在升温下之影响，其重要性是不待言之的，产品设计者不可不察。
6-3 塑品设计
6-3-1 肉厚
结构发泡成形品之肉厚可较射出成形品为厚，并且无凹痕及翘曲等问题。传统上，发泡材被设计成
0.25in(6.3mm)之肉厚，现在由于工程树脂之关系，塑品之肉厚可被设计低至0.157in(4mm)或高到0.5in(12.7mm)，甚至更高。
主要的考虑是肉厚改变时对耐冲击力、肋骨设计、浮凸物设计及所须强度的影响。弯曲强度及抗拉伸强度会随肉厚之减少而增加，因为较薄之肉厚有较低的重量减少量，致使有较高的皮层对心核比。
刚性，受负载能力及耐冲搫力则随肉厚之减少而减少，因为这些性质受肉厚之影响较大，而非重量之减少量。为了使结构发泡材有极低之应力及整个塑品有均匀性的重量减少，良好的流动设计使塑流能马上填满模穴是极为重要的。
在成形肉厚小于0.25in之塑品，更多的材料必须被推进模穴内，以克服极高的流动阻碍。若是肉厚大于
0.25in，则流动容易。这些流动阻碍的变异性，造成较低的重量减少量及较薄壁有较短之流动长度。
如果所选材料之流动长度超过建议值，那么下列两方法可增加其流动性：
·添加流动肋骨或流道以增加流动，但其直径不可太大，否则塑流会流进肋骨内造成充填平断面上之困难。
·些微的增加肉厚约莫0.03到0.05英寸，可减轻成形上之流动困难。
另外从肉厚变到薄肉厚之转换区应该愈平滑愈好，以利加工成形（图6-9）。
6-3-2 圆角及半径
陡边角会造成应力之集中点及阻碍材料之流动性，它们常常是产品毁坏的主因。圆角半径对应力集中之影响可由图6-10看出，应力集中因子KT是用于方程序以计算应力，R/T是圆角半径对肉厚之比值。
尽量利用大的半径于内边角及外边角上，以使应力集中最小并益于模具充填。对大多数塑品而言，最小半径需为0.06英寸。如果塑品是在承受负载或受撞击下，则最小半径需为0.125英寸以上。
6-3-3 公差及翘曲之控制
尺寸公差在产品设计上是非常重要的，因为它直接影响到产品成本及表现行为。产品之最终尺寸是由以下所影响控制：
·温度膨胀及收缩。
·加工条件。
·模具尺寸。
结构发泡品之尺寸公差及翘曲控制是为了使塑品从头到尾有一致的重量减少量并具平坦性。以下为其设计之通则：
·尽量使塑品之肉厚保持均匀性。厚肉区不仅会增加成形周期，并造成产品翘曲。
·使流动阻碍减少到最小。尽量莫用肋骨及排气孔在流动的方向上。
·保持一定的材料流动长度以减少过分充填发生。于近开口处，加上流动肋骨或浇口，使过分充填减少到最少。
6-3-4 倾斜角
由于结构发泡加工之低压力，微小的锥度可以忍受，所以塑品可用倾斜角之设计，以利取出。
产品之肉厚会影响到倾斜角之大小。当肉厚减少时：须增加倾斜角之角度。这是因为模穴压增加了，令塑品较难取出。一般而言，0.5°到3°之倾斜角以足使产品方便取出。对于深度极深的肋骨或浮凸物，由于须增加底部宽度，致使倾斜角增加，需注意底部太厚所可能造成的凹痕及凸起。
6-3-5 肋骨及浮凸物
于结构发泡品上加进肋骨，可增加其刚性及受负载之能力而毋须增加其肉厚。与射出成形相比，结构发泡加工可用较粗的肋骨。周遭的肉厚及重量减少量决定了肋骨之厚度，依此而设计之，可使其不至产生凹痕，表6-1为肋骨肉厚与壁厚间之正确设计关系：
至于浮凸物，由于须承受重负载，所以必须与邻近的壁端相连或与肋骨、角板相连，以分散负载。为使插入后之表现最佳，浮凸物之肉厚随材料种类及所减少之密度而定。通常，高功能性的材料可用较薄的浮凸物肉厚。一般的设计通则为浮凸物之直径为心核孔洞之二倍。浮凸物须尽量的被铸造，以减少塑品之成形周期。如果浮凸物太厚的话，会有凹痕产生。若一切设计皆无虞，与射出成形相比，由于凹痕之发生可能性减少，所以会有较佳的表面精度。
6-3-6 放热孔(louvers)
因为塑料为绝缘性材料，所以放热孔常须加入结构发泡成形品内以滞散热量。如果可能的话，羽状结构之放热孔最好与塑流同方向以助模具之充填及减少过分充填之可能性（因会造成翘曲）。如果，羽状结构放热孔必须被置于垂直塑流之方向的话，那么于其中端部分横过一流道，让塑流流于其上，而不致让放热孔阻碍了流动，参考图6-11。
6-3-7 迫压嵌合(snap fits)
犹如一些特定的射出成形材，因为工程结构发泡材之物性增加了，迫压嵌合亦可应用于其上。不像射出成形之迫压嵌合只可用于质轻短小之零件，结构发泡成形之迫压嵌合可用以扣锁住重零件或结合两大形结构发泡成品。
应力、弯折量及应变是决定所须组合力量及挺性的主要控制因子。最简单的迫压嵌合模式是具定横截面的悬梁衍（图6-12）。
其中σ＝FLc I y＝FL3 3EI ε＝3yc L3
其中σ＝应力 y＝弯折量ε＝应变
I＝横截面之惯性矩 L＝梁之长度
E＝材料之模数 c＝中间轴至最远处之距离
当选择应用须用迫压嵌合之材料时，关键物性如疲乏强度，
弯曲模数，弯曲强度及最大应变量须先被测得知。
6-4 组装方法
许多种机械式的钩扣及接合方法适用于结构发泡。螺丝钉及插入物是最常用的接合工具，但有个前题是材料必须能忍受钩扣物所造成的形变及应力。
当塑品之组合与拆卸不超过10次时，可用自攻式螺钉。由于泡孔心核可被压缩，用圆螺钉比切削式螺钉好。因为切削式螺钉如片状般的穿过皮层入泡孔心核，此种组装通常不再拆卸。
超音波或是热熔接亦是常用之方法，它们能重覆的拆卸组装。孔洞大小对插入物之表现好坏影响极大，不同插入物之制造商有不同之孔洞规定，如图6-13为道奇公司uetrasert Ⅱ插入物对孔洞规格之规定。
若是孔洞用挖钻的话，由于其内部表面不会有连续皮层，所以其菜单现较差。
结构发泡一次组装的方法有超音波、溶剂及黏著剂接合。超音波接合法，可以插入物、打桩的方式（通常是连金属物于发泡品上）、或点缝合（通常是连接两塑料成品）等达成。
大部份的非结晶性结构发泡材可以溶剂接合法互相接合或与他种塑品接合。适当的技巧及所用溶剂种类须以材料提供商讨论之。
黏著剂接合可为发泡品互相接合或与他种塑品接合以及他种材料如玻璃、铝、钢或木头。下列是在选择黏著剂时所须注意之事项：
·避免溶剂或催化剂与所欲接合之材料互不兼容。
·固化温度不可超过结构发泡材之焙烘(bake)温度。
·于操作条件下，测试兼容性及接合强度。
·遵循适切的接合设计通则。
结构优化设计实验报告 1.实验背景 结构优化能在保证安全使用的前提下保证工程结构减重，提高工程的经济效益，这也是课程练习的有效补充。 2.实验课题 问题1：考察最速下降法、拟牛顿法（DFP，BFGS）、单纯形法的性能，使用matlab中的fminunc 和fminsearch 函数。 ●目标函数1: 目标函数，多元二次函数 其中，，,, 初值 ●目标函数2 1.3 结果分析：从上述结果可以看出牛顿法具有较好的稳定性，最速下降法和单纯形法在求解超越函数时稳定性不佳，最速下降法迭代次数最少，单纯形法
迭代次数最多。 问题2：使用matlab中的linprog和quadprog函数验证作业的正确性。 用单纯形法求解线性规划问题的最优解 ●目标函数1 6 , 运行结果： 单纯形法的解析解 用两相法求解线性规划问题的最优解 ●目标函数2 , 运行结果: 单纯形法的解析解 求解二次规划问题的最优解 ●目标函数2 , , 运行结果：
问题3：用Matlab命令函数fmincon求解非线性约束规划问题 ●目标函数1 运行结果： 迭代次数：8 ●目标函数2 运行结果： 迭代次数：16 问题4：用Matlab命令函数fmincon求解人字形钢管架优化问题。已知：2F = 600kN，2B = 6 m，T=5 mm，钢管材料E = 210 GPa，密度=, 许用应力[ ]=160MPa，根据工艺要求2m ≤ h≤6m ，20mm ≤ D≤300mm 。求h , D 使总重量W为最小。
求 目标函数1 运行结果：
迭代次数：8 问题5：修改满应力程序opt4_1.m 和齿形法程序opt4_2.m ，自行设计一个超静定桁架结构，并对其进行优化。要求: （1）设计变量数目不小于2； （2）给出应力的解析表达式； （3）建立以重量最小为目标函数、应力为约束的优化模型。 分别用满应立法和齿轮法求解图2超静定结构，已知材料完全相同， ， , 2000,1500==σσ ， 满应力法和齿轮法运行结果：
第六章钢结构深化设计方案 3.5钢结构深化设计流程 图3.5-1 钢结构深化设计流程 3.6 深化设计过程控制 3.6.1设计图的自审 本工程深化小组人员成立后，立即组织人员进行图纸会审，对图纸有疑问处提交设计单位确认；同时深化前，与土建、幕墙、机电等其他参建单位协调沟通，确保图纸准确性。图纸自审内容主要包括以下方面：
1、钢结构图纸的张数、编号与图纸目录是否相符； 2、施工图纸、施工图说明、设计总说明是否齐全、规定是否明确，三者有无矛盾； 3、建筑图和结构图是否对应; 4、平面图所标注坐标、绝对标高是否与总图相符； 5、图面上的尺寸、标高、预埋件的位置是否有误； 6、钢结构的构件截面、材质与材料表所列是否一致，各个节点是否有相应的节点图，节点表达是否清晰； 3.6.2工艺配合 深化设计时要综合考虑各构件制作、安装及焊接工艺，确保深化设计质量。 1、制作工艺 深化设计前，深化设计人员和工艺人员熟悉结构图纸，对图纸中信息进行整理，开展工艺评审，对重点部位的制作工艺进行分析，如特殊的板材、板幅要求、检测要求等予以明确，并提出相关建议。 2、安装工艺 深化前及深化设计过程中，深化设计人员要加强与现场安装人员的沟通，明确复杂节点的安装工艺、典型结构的施工工艺及单元划分等，保证各钢构件的分段能满足运输尺寸及吊重等方面的要求。 3、焊接工艺 深化设计前，必须确定焊接工艺： 1）根据工程设计文件对焊接提出质量要求，包括母材的材质、焊接材料的材质，焊接节点构造，焊缝坡口形式，焊缝强度等级等。同时根据焊缝坡口形式及尺寸，确定焊接方法。 2）针对本工程复杂节点、截面，深化前深化人员应明确节点焊接顺序，对于焊接应力集中区域，进行优化。 3）建模 采用xsteel软件进行深化设计是一个多人同时操作的过程，可能因为某一人随意更改模型或两人修改同一构件而导致冲突，造成工作出现错误，因此深化设计建模组的协调、配合至关重要；同时每个划分区域的对接工作也要重点控制。
建筑结构优化设计建议 侯善民 201305 2013.05
第一章 第章基础 1、基础类型： ? 天然地基基础 ?复合地基→天然地基+增加体（柔性桩、刚性桩）? 桩基：常规桩基 后处理加强的后注浆钻孔灌注桩 先处理加强的劲性复合予制静压桩
第一章第章基础 ? 天然地基承载力不宜低于预期复合地基承载力的百分之四 十软土地基上采用复合地基要慎重组成复合地基的增采用复合地基应注意： 十，软土地基上采用复合地基要慎重。组成复合地基的增强体桩基，应具备一定刚度，并且不能是端承桩；随着复合地基承载力需求增大增强体桩基的支承刚度与 ? 随着复合地基承载力需求增大，增强体桩基的支承刚度与桩身强度，要求也需相应提高，对于20层~30层的高层建筑不宜采用单纯摩阻桩桩端进入较好的持力层但持筑，不宜采用单纯摩阻桩，桩端进入较好的持力层。但持力层不宜是强风化以上的岩层，桩身强度承载力要满足计算底板与桩基持力层选择需慎重 算，底板与桩基持力层选择需慎重。
第一章南京某小区复合地基事故第章基础 南京某小区复合地基事故： 该小区位于河西，七层砖混住宅，场地内有深厚的淤泥质软土层，增强体刚性桩未穿过软土层，施工也存在质量问题，建造过程中一直到结构封顶，沉降持续发展，最后采用锚杆静桩较好的才控制住降静压桩，压入深层较好的土层，才控制住沉降。最近几年，我们做了一批20层~30层100米以内的高层剪力墙住宅，采用刚性桩复合地基都取得成功。例如：淮安恒大、淮安中南、合肥融侨等都是20万~30万㎡的高层住宅小区，天然地基承载力约在200k 左右采用予应力管桩作为增加体然地基承载力约在200kpa左右，采用予应力管桩作为增加体， 复合地基承载力可达到500Kpa左右
《结构优化设计》课程专题训练 课程名称：结构优化设计 所在班级：工力13-1班 学生姓名：zzzzzzzzz 学号：11111111111 指导教师：zzzzzzz 成绩：
目录 一．研究目的 ...................................... 错误！未定义书签。 1.1 实际问题在工程中的应用........... 错误！未定义书签。 二．研究内容 (3) 2.1 工程模型问题简化假设 (3) 三．问题求解 (4) 3.1准则法求解： (4) 3.2数学规划法求解： (5) 四．结果与结论 (9) 4.1结果 (9) 4.2 结论 (9)
1.1实际问题在工程中的应用 图1：南京长江大桥 如图一所示为南京长江大桥桁架结构。此类桁架，因其结构轻巧，设计、制作、安装均很简便，且适应跨度范围很大，故在生产中有着大量的应用。这里主要为凸显结构优化问题，将绗架取局部结构，通过两种结构优化算法计算求解，加深对两种方法的了解与对结构优化设计含义的理解。
2.1 工程模型问题简化假设 现将图中结构简化为图三中的两桁架结构，假设壁厚t 和半跨B 已给定，要求选择钢管的平均直径D 和绗架高度H ，使杆件不失稳，杆件材料不屈服，且结构最轻，给定参数荷载P=33000磅，B=30英寸，t=0.1 英寸，屈服应力5 10=σ磅/平方英寸，弹性模量E=3x 710磅/平方英寸。 图 2
三．问题求解 该问题的目标函数是结构的重量，设计所需的约束条件为：圆管杆件中的压应力应该小于或等于压杆稳定的欧拉临界应力；圆管杆件中的压应力应该小于或等于材料的屈服应力；管子的平均直径D 和桁架的高度H 受上、下界的限制。 问题可以总结为： 目标函数：圆管的最轻重量minW 约束条件s.t. 3.1准则法求解： 该问题中指定参数为B,t ，E ，ρ，σ，D ，D ，H ，H ，设计变量为D ，H ，该问题的目标函数时结构的重量，设计受到的约束条件为：圆管杆件中的压应力应该远小于或等于压杆稳定的欧拉临界应力σ；圆管杆件中的压应力应远小于或等于材料的屈服应力σ；管子的平均直径D 和绗架的高度H 受到上下界的限制。 求最优的D 和H ，使目标函数最小，即： 2 122)(t 2min H B D W +=πρ S.T. H H H D D D tDH H B P H B ED tDH H B P ≤≤≤≤≤++≤ +σ πππ) ()(8)(22222 22 122
《机械结构设计》课程教学大纲 执笔人：陈建毅编撰日期：2009年8月30日 一、课程概述 《机械结构设计》是工业设计专业的职业核心课程（属于B类），它包括理论力学、材料力学和机械设计基础三部分内容。计划时数为68学时，本课程4学分。 通过本课程的学习，使学生掌握工程力学和机械设计有关的基本概念、基本理论和基本方法。会对物体进行正确的受力分析，会分析计算一些简单力学问题。培养学生对工程设计中的强度、刚度和稳定性问题有明确的基本概念，必要的基础知识和比较熟练的计算能力、分析能力和初步的实验分析能力。使学生学会应用工程力学的基本理论和方法分析与解决机械工程中的一些简单实际问题。掌握一般机械中常用机构和通用零件的工作原理、性能特点，及其使用、维护的基础知识。掌握常用机构的基本理论和设计方法，常用零部件失效形式、设计准则和设计方法。在本课程的学习，注意培养学生正确的设计思想和严谨的工作作风。 教学对象：工业设计专业大二上学期的高职学生。 二、教学内容描述 教学内容分成两个模块：工程力学基础和机械设计基础。工程力学主要内容分为静力分析和强度分析；机械设计基础分为机械零件基础、常用机构、机械传动基础。 第一篇工程力学基础 第一章工程力学的基本概念 教学内容： 第一节工程力学与工业设计 第二节工程力学的研究对象与基本内容 第三节工程力学的基本概念 第四节静力学公理 第五节约束与约束反力 第六节分离体与受力图 教学要求：了解力与力系的基本概念，掌握静力学的基本公理和各种常见约束的性质，对简单的物体系统，能熟练地取分离体，画受力图。 第二章构件与产品的静力分析 教学内容： 第一节平面力系的简化与合成 第二节平面力系平衡问题的求解 第三节空间力系简介超静定的概念
结构优化课程设计 学院土木学院 专业工程力学 班级1001
学号100120118 姓名崔亚超
总结结构优化设计的原理、方法及发展趋势 崔亚超 工程力学1001班学号100120118 摘要：阐述了工程结构优化设计理论从最初的截面优化发展到形状优化、拓扑优化的基本历程及其相关特点，对优化设计选用的各种算法进行归类，并简述结构优化设计的发展趋势。 关键词：尺寸优化；形状优化；拓扑优化；优化算法 Summary structural optimization design principles, methods and development trends Abstract:The structural optimization of engineering design theory from the initial cross-section to optimize the development of shape optimization, topology optimization of the basic course and its related characteristics, the optimum design on the range of algorithms are classified, and to outline the development trend of structural optimization design . Key words:size optimization; shape optimization; topology optimization; optimization algorithm 0 引言 结构优化设计的目的在于寻求既安全又经济的结构形式，而结构形式包括了关于尺寸、形状和拓扑等信息I对于试图产生超出设计者经验的有效的新型结构来说，优化是一种很有价值的工具，优化的目标通常是求解具有最小重量的结构B同时必须满足一定的约束条件，以获得最佳的静力或动力等性态特征。 集计算力学、数学规划、计算机科学以及其他工程学科于一体的结构优化设计是现代构设计领域的重要研究方向。它为人们长期所追求最优的工程结构设计尤其是新型结构设计提供了先进的工具，成为近代设计方法的重要内容之一。 结构优化设计也使得计算力学的任务由被动的分析校核上升为主动的设计与优化，由此结构优化也具有更大的难度和复杂性。它不仅要以有限元等数值方法作为分析手段，而且还要进一步计算结构力学性态的导数值。它要面向工程设计中的各种实际问题建立优化设计模型，根据结构与力学的特点对数学规划方法进行必要的改进。因此，结构优化设计是一综合性、实用性很强的理论和技术。 目前，结构优化设计的应用领域已从航空航天扩展到船舶、桥梁、汽车、机械、水利、建筑等更广泛的工程领域，解决的问题从减轻结构重量扩展到降低应力水平、改进结构性能和提高安全寿命等更多方面。 由于结构优化设计给工程界带来了经济效益及近年来有限元研究和应用的相对成熟，计算机条件的进一步改善和普及，人们对结构优化设计的研究和应用的呼声更高了。无论国内还是国外，对这一现代技术的需求都有增长的趋势。随着设计技术的更新和产品竞争的加剧，结构优化设计将会有更大的发展。
浅谈结构优化设计 【摘要】在建筑结构领域开展优化设计，符合我国可持续发展的综合国策。结构优化设计应是在保证建筑安全、抗震性能较好、合理可行同时满足建筑设计的前提下进行，在这里 我结合自己做过的一些工程简单谈谈在结构设计中的一些优化体会，以供工程设计参考。 【关键词】结构设计；优化 结构优化设计是个系统的工程，它涉及的方面很多，不能片面的从某一方面来进行优化，要综合考虑各种不同因素的影响，本文主要从基础及上部设计两个方面来简单谈谈一些优化 的小技巧。 一、地基基础优化设计 当上部结构荷载不大，且地基土承载力较高时，优先选用天然地基。当土层的地基承载 力不是很大且压缩性很大而不能满足设计承载力或变形等要求时，在基础设计时选用深基础（桩基础）。在满足地基稳定和变形要求的前提下，基础尽量浅埋，以节省挖土工程量且便 于施工，特别是对于上海的地基土，一般二层为粘性土，这一层都相对比较薄，且在其下面 一般就是淤泥质土，承载力很小且压缩性较大，基础就更应该浅埋。基础设计中桩基常常是 比较常采用的方案，它对工程造价和施工工期会产生较大的影响，因此需要进行深入的优化 分析，针对不同地方项目对各种桩型受力机理的特点进行分析研究。从另一方面来说地基基 础设计也一直是建筑结构设计的难点，因为建筑的基础形式可以是相同的，但完全相同的地 基条件是很少碰到的，所以对岩土工程勘察报告内容的理解分析就很重要，同时了解各种地 基的变形特性，结合当地工程经验，选择合理的地基基础方案也是十分重要的。对于特定地 区的场地，我们应该结合地勘考虑最合理的工程方案，不要因为当地使用的较少就退。一般 来说不同地区都有常用的桩基类型，像河南郑州的项目那里比较常选用CFG桩地基处理，有 些32层接近100m的高层住宅也常常采用CFG桩，对于双甲（基础设计甲级、勘察设计甲级）还要经过省里专家进行CFG桩复合地基专项论证审查等。但从另一方面讲业主往往对新工艺、新桩基形式等在当地的可行性、经济性没有信心，施工单位有时也会因为采用不熟悉的工艺 而加以抵触和阻挠，所以作为工程设计人员，就要详细周密的进行考虑，同时一个合理的试 桩方案也是不可缺少的，一方面，试桩可以验证桩基施工工艺是否可行，使我们得到承载力、沉降等情况，一方面我们也可以初步估计出该种桩基的造价等，从而来比较此方案是否合理。如工程确需采用桩基时，需进行桩型、桩径、桩长多方案经济分析与比较，不同单体、不同 地质可选用不同桩型，地基土对桩的支承能力尽量接近桩身结构强度，另外应尽可能采取设 计前试桩，为施工图设计提供依据，提高单桩竖向承载力，以减少桩根数。若条件允许，优 先采用预制桩，如需采用灌注桩，可采用后注浆技术提高单桩竖向承载力。对于设置地下室 的建筑，可考虑场地较低水位时水浮力的有利作用，以减少抗压桩根数。布桩时，应优先考 虑沿轴线墙下或柱下布桩，以减少筏板厚度及配筋，筏板局部配筋较大时，也可另附加短钢筋。 二、上部结构优化设计 结构体系选择上应综合考虑各方面因素，结合当地实际情况，进行全方位技术经济分析 与比较，选择功能完善、技术先进、经济合理的结构体系。在结构设计中尽量遵循以下优化 设计原则： 1.按照几个高度分界点控制建筑物高度设计。建筑高度、风荷载大小、地震设防烈度对 结构成本会有较大影响。当建筑物高度超过且接近分界点时，应尽量通过优化层高和楼层数 等使建筑物高度控制在分界点内，对于高层建筑60米是50年一遇和100年一遇基本风压的 分界点；24米是框架结构抗震等级的分界点；60米是框架-剪力墙结构抗震等级的分界点； 80米是剪力墙结构、部分框支剪力墙结构抗震等级的分界点。抗震等级每提高一级，内力放 大系数、抗震构造措施均会提高一级；
第六章、钣金、焊接、铆接 第一节、钣金基础常识 当今社会,钣金业的发展非常迅速,所以应该了解一下钣金加工的基本常识. 一.材料的选定.钣金加工一般用到的材料有冷轧板（SPCC）、镀锌板（SECC）、铜板、铝板、不锈钢板、铝材等.其作用各不相同.至于如何选用,一般需从其用途及成本上来考虑. 1.冷轧板.简称SPCC,用于表面处理是电镀五彩锌或烤漆件使用. 2.镀锌板.简称SECC,用于表面处理是烤漆件使用.在无特别要求下,一般选用SPCC,可减少成本. 3.铜板.一般用于镀镍或镀铬件使用,有时不作处理.跟据客户要求而定. 4.铝板.一般用于表面处理是铬酸盐或氧化件使用. 5.不锈钢板.分镜面不锈钢和雾面不锈钢,它不需要做任何处理. 6.铝型材.一般用于表面处理是铬酸盐或氧化件使用.主要起支撑或连接作用,大量用于各种插箱中. 二．钣金加工的工艺流程.对于任何一个钣金件来说,它都有一定的加工过程,也就是所谓的工艺流程.随着钣金件结构的差异,工艺流程可能各不相同,但总的不超过以下几点. 1.设计并绘出其钣金件的零件图,又叫三视图.其作用是用图纸方式将其钣金件的结构表达出来. 2.绘制展开图.也就是将一结构复杂的零件展开成一个平板
件. 3.下料.下料的方式有很多种,主要有以下几种方式: a．剪床下料.是利用剪床剪出展开图的外形长宽尺寸.若有冲孔、切角的，再转冲床结合模具冲孔、切角成形. b．冲床下料.是利用冲床分一步或多步在板材上将零件展开后的平板件结构冲制成形.其优点是耗费工时短,效率高,可减少加工成本,在批量生产时经常用到. c．NC数控下料.NC下料时首先要编写数控加工程序.就是利用编程软件,将绘制的展开图编写成NC数控加工机床可识别的程序.让其跟据这些程序一步一步的在一块铁板上,将其平板件的结构形状冲制出来. d．激光下料.是利用激光切割方式,在一块铁板上将其平板件的结构形状切割出来. 4.翻边攻丝.翻边又叫抽孔,就是在一个较小的基孔上抽成一个稍大的孔,再在抽孔上攻丝.这样做可增加其强度,避免滑牙.一般用于板厚比较薄的钣金加工.当板厚较大时,如2.0、2.5等以上的板厚,我们便可直接攻丝,无须翻边. 5.冲床加工.一般冲床加工的有冲孔切角、冲孔落料、冲凸包、冲撕裂、抽孔等加工方式,以达到加工目的.其加工需要有相应的模具来完成操作.冲凸包的有凸包模,冲撕裂的有撕裂成形模等. 6.压铆.压铆就本厂而言,经常用到的有压铆螺柱、压铆螺母、压铆螺钉等,其压铆方式一般通过冲床或液压压铆机来完成操作,将其铆接到钣金件上.
甘蔗收获机机械台架虚拟样机 结构优化设计 摘要：结构优化设计就是寻求满足约束条件下的最佳构建尺寸、结构形式以及材料配置方式。利用有限元方法对虚拟样机台架结构进行分析，并采用一阶方法对台架进行优化，预估出经验设计结构上的最危险点，并对结构进行改造和优化，可以保证结构综合应力在材料的许用应力范围内，对结构轻量化，合理分配材料，大大缩短研制周期，降低设计成本，为虚拟样机的创新设计可以提供一种新的设计及优化设计方法。 关键词：甘蔗收获机；优化设计；模态分析；一阶方法 引言：甘蔗作为重要经济作物在全世界范围内广泛种植，中国的种植面积在世界位居第三位，成为我国制糖，轻工，化工和能源的重要原料，对整个国民经济的发展都有重要的地位和作用。甘蔗收获包括切梢、切割、清理和装运等工序，为甘蔗生产过程中劳动强度最大，费工费时，成本最高的一个环节。在我国，甘蔗成产机械化程度低，随着人工收获成本的逐年增加，我国糖业面临着巨大的竞争压力，实现甘蔗收获机械化的要求愈加迫切。随着设计理论与设计理念的发展，对虚拟样机进行优化设计能改进凭经验设计出现的缺陷以及预估结构或机构的最危险点，从而对其进行改造和优化，对设计结果及时进行审查，并及时反馈给设计人员，实现了设计过程中的快速反馈，按照优化后的设计方案进行物理样机研制，可以避开预估的缺陷和危险点，从而使结构更趋于合理，降低了制造成本，大大缩短了设计和产品研制周期，还可以保证将错误消灭在萌芽状态。 虚拟样机技术[ 1]为这类创新产品的开发提供了强有力的手段。甘蔗收割机在工作过程中, 要经历扶蔗、砍蔗、输送、断尾以及剥叶等动作, 承受的都是动态载荷, 而结构的固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数, 因此本文采用通用有限元分析软件ANSYS对甘蔗收割机机架结构部件进行模态分析, 根据机架结构的低阶模态和振型, 确定对机架结构是进行动力刚度优化还是静力强度优化。 1.机架结构模型建立
机械制造工艺学（王先逵）习题及答案 第六章机床夹具设计 1、什么是机床夹具举例说明夹具在机械加工中的作用。 答：机床夹具是在机床上用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。 机床夹具的功用：①稳定保证工件的加工精度； ②减少辅助工时，提高劳动生产率； ③扩大机床的使用范围，实现一机多能。 举例：用V形块，用三爪卡盘，顶尖可很好的保证工件的定位精度，以及工件相对于刀具和机床的位置精度。如图 2、机床夹具通常由哪几部分组成 答：机床夹具的组成部分：1．定位元件, 2．夹紧装置 3．对刀引导元件 4．连接元件 5．夹具体， 6．其它元件或装置 3、常见的定位方式、定位元件有哪些 答：⑴工件以平面定位：圆柱支承、可调支承、自位支承、辅助支承 ⑵工件以外圆定位：V形块、定位套、半园套、圆锥套 ⑶工件以圆孔定位：定位销、圆锥销、定位心轴 ⑷工件以组合表面定位：一面两销 4、辅助支承与自位支承有何不同 答：辅助支承用来提高支承件零件刚度，不是用作定位支承点，不起消除自由度作用；自位支承是支承本身在定位过程中所处的位置，是随工件定位基准位置的变化而自动与之适应，但一个自位支承只起一个定位支承点的作用。 5、什么是定位误差试述产生定位误差的原因。 答：定位误差：是由于工件定位造成的加工面相对工序基准的位置误差，由于对同一批工件说，刀具调整后位置是不动的，即被加工表面的位置相对于定位基准是不变的，因此定位误差就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。 造成定位误差的原因：
⑴定位基准和工序基准不一致所引起的基准不重合误差Δjb ⑵由于定位副制造误差及配合间隙所引起的定位误差，即基准位移误差Δjw 7、工件在夹具中夹紧时对夹紧力有何要求 答：⑴方向： ①夹紧力的作用方向不破坏工件定位的准确性和可靠性 ②夹紧力方向应使工件变形尽可能小 ③夹紧力方向应使所需夹紧力尽可能小； ⑵夹紧力作用点： ①夹紧力作用点应靠近支承元件的几何中心或几个支承元件所形成的支撑面内 ②夹紧力作用点应落在工件刚度较好的部位上 ③夹紧力作用点应尽可能靠近被加工表面； ⑶夹紧力的大小： 夹紧力的大小主要确定方法有经验类比和分析计算法。采用分析计算，一般根据切削原理求切削力F，算出惯心力，离心力，列出平衡方程式，算出理论夹紧力Q’，为安全起见，考虑安全系数K，因此实际夹紧力Q=KQ’，K取值范围～3，粗加工～3，精加工～2，由于加工中切削力随刀具的磨钝、工件材料性质和余量的不均匀等因素变化，因而实际生产中常采用类比的方法估算夹紧力。 8、试分析3种基本夹紧机构的优缺点及其应用。 答：基本夹紧机构有： ⑴斜楔夹紧机构：结构简单，工作可靠，机械效率低，很少直接用于手动夹紧，常用在工件尺寸公差较小的机动夹紧机构中； ⑵螺旋夹紧机构：螺旋升角小于斜楔的楔角，扩力作用远大于斜楔夹紧机构，结构也很简单，易于制造，夹紧行程大，扩力较大，自锁性能好，应用适合手动夹紧机构。但夹紧动作缓慢，效率低，不宜使用在自动化夹紧装置上； ⑶偏心夹紧机构：操作方便，夹紧迅速，结构紧凑；缺点是夹紧行程小，夹紧力小，自锁性能差，因此常用于切削力不大，夹紧行程较小，振动较小的场合。 9、钻模板的形式有几种哪种的工作精度最高 答：钻模板的形式：1 固定式 2 铰链式
第一章 第章基础 1、基础类型： ? 天然地基基础 ?复合地基→天然地基+增加体（柔性桩、刚性桩）? 桩基：常规桩基 后处理加强的后注浆钻孔灌注桩 先处理加强的劲性复合予制静压桩
第一章第章基础 ? 天然地基承载力不宜低于预期复合地基承载力的百分之四 十软土地基上采用复合地基要慎重组成复合地基的增采用复合地基应注意： 十，软土地基上采用复合地基要慎重。组成复合地基的增强体桩基，应具备一定刚度，并且不能是端承桩；随着复合地基承载力需求增大增强体桩基的支承刚度与 ? 随着复合地基承载力需求增大，增强体桩基的支承刚度与桩身强度，要求也需相应提高，对于20层~30层的高层建筑不宜采用单纯摩阻桩桩端进入较好的持力层但持筑，不宜采用单纯摩阻桩，桩端进入较好的持力层。但持力层不宜是强风化以上的岩层，桩身强度承载力要满足计算底板与桩基持力层选择需慎重 算，底板与桩基持力层选择需慎重。
第一章南京某小区复合地基事故第章基础 南京某小区复合地基事故： 该小区位于河西，七层砖混住宅，场地内有深厚的淤泥质软土层，增强体刚性桩未穿过软土层，施工也存在质量问题，建造过程中一直到结构封顶，沉降持续发展，最后采用锚杆静桩较好的才控制住降静压桩，压入深层较好的土层，才控制住沉降。最近几年，我们做了一批20层~30层100米以内的高层剪力墙住宅，采用刚性桩复合地基都取得成功。例如：淮安恒大、淮安中南、合肥融侨等都是20万~30万㎡的高层住宅小区，天然地基承载力约在200k 左右采用予应力管桩作为增加体然地基承载力约在200kpa左右，采用予应力管桩作为增加体， 复合地基承载力可达到500Kpa左右
第六章焊接结构脆性断裂 自从焊接应用于船舶、球罐、压力容器、桥梁、机械设备等工程结构以来，发生了一系列的脆性断裂事故。1943年1月16日在奥勒冈州波特兰码头某油船发生断裂，当时海面平静，其计算的甲板压力只有7.0Kg，见图6-1。二次世界大战期间美国建造的5000艘商船中约有1000艘船在1946年4月前经历了1300次左右的大小不同的结构破坏事故，其中250艘完全断裂，见图6-2。1974年12月日本某圆筒形石油槽发生开裂，该结构用12mm、60Kg 级钢材焊制，在环状边板与罐壁拐角处产生裂纹源并扩展13m，大量石油外流。1962年7月，奥大利亚的“金斯桥”(跨度30.5m)在45.8t卡车通过时发生脆性断裂，原因是材料含碳量高，可焊性差，断面急剧变化处产生应力集中。 这些断裂事故都具有共同的性质： (1)没有明显的塑性变形，破坏具有突发性； (2)焊接结构刚度较大，裂纹扩展至整个结构； (3)发生脆断时平均应力比材料的屈服极限和设计许用应力小得多，是低应力破坏。 脆性断裂一般在以下条件下发生： (1)结构在低温下工作； (2)结构中存在焊接缺陷； 图6-1 船舶断裂实例1 图6-2 船舶断裂实例2
(3)焊接残余应力对脆断产生了严重影响； (4)材料性能劣质； (5)结构设计不合理。 § 6-1 材料断裂及影响因素 一、断裂分类及特征 按塑性变形大小可将断裂分为延性断裂和脆性断裂(解理断裂、晶界断裂)。它们反映材料或结构断裂前的行为，即延性断裂表明在断裂之前金属或结构要发生显著的塑性变形；相反，脆性断裂表明金属材料或结构在断裂前发生很少的塑性变形。当然这只是定性概念，在定量上，发生多大程度的塑性变形属于延性断裂，小于何种程度的塑性变形量属于脆断，仍需具体情况而定。它往往与采用的评定标准有关，及测量变形的工具类型和精度有关，也和所评定的金属或结构的特性有关。如，铁轨用钢，当试样断裂时伴有百分之几的塑性变形时就属于延性断裂，但对于低碳钢来说，其无疑属于脆性断裂。 从“合于使用”原则出发，按图6-3对金属结构断裂性质进行分类。在拉伸中心开有缺口的试样时，试样上有三种应变。即无缺口部位的应变ε；缺口尖端处的应变ε′；缺口所在平面内边缘处的应变ε″，一般情况下它们之间具有下述关系： ε′>ε″>ε 构件断裂时，此三值与屈服点εs相比，有下述4种情况： εs>ε′>ε″>ε线弹性断裂情况 ε′>εs>ε″>ε弹塑性断裂情况 ε′>ε″>εs>ε韧带屈服断裂情况 ε′>ε″>ε>εs 全面屈服断裂情况 从断裂的机制来说，解理断裂：低温、高应变速率及高应力集中情况下，材料的塑性变形严重受阻，材料不能以形变方式而是以分离顺应外加应力。解理是某些特定结晶学平面发生的断裂。剪切断裂：在剪应力作用下，沿滑移面形成的断裂，可分为纯剪切断裂和微孔聚
房屋建筑工程结构优化设计分析宋得奎 发表时间：2019-07-30T14:08:43.340Z 来源：《基层建设》2019年第14期作者：宋得奎 [导读] 摘要：在经济发展进程中，房屋建筑工程的需求及数量呈现明显的上升趋势，这就需要在增加建筑功能的基础上，不断提高房屋建筑工程的质量。 身份证号：13022119870115XXXX 摘要：在经济发展进程中，房屋建筑工程的需求及数量呈现明显的上升趋势，这就需要在增加建筑功能的基础上，不断提高房屋建筑工程的质量。房屋建筑不仅需要满足人们的居住需求，其美观性及安全性也应不断提升，而房屋建筑结构作为工程中较为重要的一部分，与建筑功能及质量密切相关，应当依托房屋建筑工程结构优化设计，提升房屋建筑的质量和使用寿命。 关键词：房屋建筑工程；工程结构；优化设计 引言 房屋建筑的结构设计是设计人员通过各种形式展现并建筑房屋建筑，有三个阶段：结构方案，结构计算、施工图设计。针对地质特点与高度，采取对房屋建筑物所在的区域进行检测，结构形式要合理采取控制，承重和结构应力分量系统要进行完善和改进。在房屋建筑结构施工中结构的设计是最基础的，房屋建筑物的安全、功能及耐久、施工成本上都有很大的影响。若结构设计出现问题，便会导致严重的危害和经济损失。我国的房屋建筑业加速发展，一些创新的结构形式大量浮出，结构设计中的问题存在很多问题。为了确保房屋建筑业的可持续发展，确保房屋建筑的质量、功能上发挥出更大的作用，针对以上问题采取相应的措施。 1房屋建筑结构设计优化的重要性 在企业施工的前期，优化施工设计方案，不仅对房屋建筑上的空间合理的安排，还能使房屋建筑物有较高的经济价值和环保价值。对设计方案进行优化，使房屋建筑单位获得更高的利润，减少了资金在施工过程中的投入，大大降低了房屋建筑单位施工成本。在房屋建筑设计上进行优化，与普通的房屋建筑设计相比，可以给房屋建筑企业带来利益的最大化，为房屋建筑单位带来更好的发展。 2结构设计优化的体现 2.1结构设计与工程造价 在房屋建筑的建设过程中，建筑的层数与建筑面积对于工程造价有着直接影响，但影响程度会受到结构差异而产生数值的变化。例如在屋盖的设计当中，屋盖不会因为层数的变化而发生投资改变，但基础部分的单位面积却会因为层数的增加而发生转变。所以，某些分部结构的建筑造价会有明显提升。另一方面，在当前的房屋建设工程当中，层数越多，单元建筑面积所分摊的占地面积也会随之下降，而层高与造价之间成正比例关系。 2.2结构设计与投资成本 建筑结构设计的目的是为了保障工程项目的合理性。按照相关研究数据的说明，建设工程成本的主要消耗受到工程设计质量的影响，例如建筑维修、工程变更等都是产生费用的主要原因。如果建筑设计考虑不到位，对于建筑结构的设计存在功能判断失误时，一旦出现工程质量事故，必然导致成本控制失衡，安全隐患的出现必将带来工程损失。 3房屋建筑结构设计优化策略 3.1引入数字化技术手段 房屋建筑结构设计内容有较为悠久的历史，在不同文化环境中形成了风格各异功能明显的建筑空间。在时代资讯条件与技术水平的影响下，通过交流与创新，形成了多种类型的结构设计方案[2]。在对特定建筑项目展开设计工作的过程中，可以尝试通过数字化技术手段，完成结构设计方式的选择与应用。尤其是在数字化程序软件的应用中，对于房屋建筑结构设计，产生了典型的积极影响，是提高设计质量的主要途径与关键手段。例如，北京奥运会的主体育馆“鸟巢”（如图1所示），在进行设计的过程中，其设计师赫尔左德、德梅隆引入了数字化的技术方法，通过计算机软件程序与硬件系统的计算能力，对结构中的细化参数进行分析与计算，并在完成设计数据计算的基础上，对系统使用中的合理性作出全面的辩证分析，以此保证“鸟巢”在结构设计的合理性，为其在结构稳定性的基础上，增添了美观表现效果，提高了应用价值。对此，为了保证数字化技术手段的应用条件，需对房屋建筑结构设计的业务能力进行优化升级，使其能够适应计算机程序的使用，并在合理利用先进辅助软件程序的基础上，保证设计内容的科学性。 3.2提高房屋建筑结构设计的协调性 现代房屋建筑工程中涵盖较多细化内容，需要精准掌控结构设计的关键点，将工程的各个环节高效衔接，促使其协调性不断提升，因此，该项工作不仅内容繁多，更具有一定的复杂性。以往房屋建筑结构设计的侧重点是房屋外观，内在结构被忽视，而结构设计优化则能在优化内部结构的基础上，促使内、外结构设计相协调，这不仅能合理缩减工程成本，更能提高房屋建筑的整体优势，促使其功能得到充分发挥，进一步提高结构设计的合理性及有效性。 3.3以结构设计规范为主导 结构优化设计与普通的结构设计相比，专业性及合理性明显提高，因此对设计人员的技术水平要求更高，不仅需要具备较强的专业能力及素养，更应当具有丰富、成熟的设计经验，并做到严格按照结构设计规范进行设计。但是结构设计规范所涉及的范围较广,无法为结构设计提供全面的参考依据，部分规范在设计中的适用性较弱，如果只是硬性地照搬规范，就会降低工程的安全指标，因此，应当在房屋建筑结构优化设计阶段，将结构设计规范与工程实际情况有机结合，通过综合分析及对比，制定出最科学的设计方案，从根本上提高结构设计的整体质量。 3.4适应仿真性技术环境 计算机技术中，带有拟态化的仿真性内容，可以很好地适应房屋建筑设计中的应用内容。在拟态化数据系统中，能够模拟设计中的参数与内容，形成具象化的图像形式，并通过对比例尺的调整，分析建筑材料在配重与负荷条件下的强度水平，以此对实际工程建设形成指导。例如，CAD技术在形成数据化图形的过程中，有很强的指导性，并能够在建筑结构设计领域发挥出较强的应用价值。而在当前技术条件的发展基础上，将传统的CAD技术与计算机中的AI智能程序进行结合，形成了新型的SCAD技术。这项技术内容又被称作智能CAD技术，利用AI智能化计算模式，帮助传统CAD技术进行数据决策分析。尤其在进行结构设计拟态化管理的工作中，可以发挥出较强的应用性。在建筑结构设计工作中，可以通过智能系统，减少设计人员在操作CAD技术时的工作量，并高效率、精确化的完成项目处理，并以此
建筑结构优化设计 摘要：建筑项目投资大，建设周期长，对其进行结构优化设计能够有效的减少投资金额。建筑结构优化设计，是实现建筑本体功能与建筑投资成本的关键手段。因此，结构工程师必须在每一个工程项目的设计中都能做到不断地探求自然法则，不懈地追求相对的最佳最优，要通过反思比较，在经验积累中不断提高自己的判断力和创新力。 一、建筑结构优化设计 1、建筑结构优化设计的基本理论 结构优化设计不应仅仅在结构本身，而应包括建筑的各方面，科学地确定建筑结构优化设计几项基本原则并有效地按照这些基本原则去进行建筑结构设计，是非常重要的。建筑结构的优化设计主要体现在建筑工程的决策阶段、设计阶段、建设阶段。在建筑工程的决策阶段，确定结构优化设计所要达到的总体目标，满足本体功能，最大程度保障安全性，缩减投资成本：在建筑工程的设计阶段，确定每一个子系统及整体结构的优化布局；在建筑工程的建设阶段，以结构优化设计为建设原则，组织建设好每一个子系统从而实现整体结构优化布局。决策阶段结构优化选择是关键，设计阶段结构优化设计是核心，建设阶段结构优化建设是基础，3个阶段互相验证、互为补充、缺一不可。 2、建筑结构优化设计的基本要求 （1）功能性 建筑是人类的基础物质生存环境，建筑结构优化的终极目标就是
为了满足人类对物质生存环境的最大化需求。对功能性的满足也不再局限于传统的实用性功能，而是增添了舒适性、美观性、协调性等多种新元素，满足人类对基础物质生存环境的更高要求。 （2）安全性 建筑作为人类生存的基础生存环境，与人类的生产、生活紧密相关，安全性成为建筑结构优化设计的必然考虑因素。一味追求建筑结构的优化设计，忽略决策阶段、设计阶段、建设阶段的安全性，其作为建筑不但没有任何实际意义，反而会给人类正常生产和生活带来致命的危害。因此，安全性是结构优化设计中的必然考虑因素。 （3）经济性 建筑结构优化设计的经济性是市场经济条件下对资源配置提出的新要求。经济性是指通过建筑结构的优化设计，最大化的节约各种材料资源，达到减少建设成本的目标。另外，各种材料资源都存在一定的稀缺特性，建筑结构的优化设计能科学合理的减少材料的使用量，节省建设材料使用成本。 二、建筑结构优化设计基本原则 1、提高建筑舒适度原则 所谓好的建筑，应是从建筑、结构、装饰装修到给排水、暖通、空调、燃气、电气安装等各专业的优化设计组合，是整体优化设计，如果仅仅是某个专业设计得好，是不可能被称作是一个好建筑的，结构设计也不能例外的；建筑结构设计要能最大程度地满足建筑平面布置、内部空间高度和建筑立面等使用功能和外形观感的要求，投入使
6.3多层砌体房屋抗震计算要点 通过合理抗震设计，采取恰当的抗震构造措施，保证施工质量，在9度和9度以下地震区内建筑多层砖混结构房屋安全是可以得到保证的。
6.3多层砌体房屋抗震计算要点 砌体结构的抗震设计应当包括： 1 砌体结构房屋的抗震强度验算； 2 砌体结构房屋的抗震措施 抗震措施是为了弥补抗震验算中的不足或无法计算的部分，因为抗震计算目前还很不完备或严密，抗震构造措施更是用来满足“大震不倒”的设防目标要求。
6.3多层砌体房屋抗震计算要点 6.3.1计算简图和地震作用 多层砌体结构的破坏主要是由水平地震作用而引起的，因此，对于多层砌体房屋的抗震计算，一般只考虑水平地震作用的影响，而可不考虑竖向地震作用的影响。 多层砌体结构的高度不超过40m，质量和刚度沿高度分布较均匀，水平振动时以剪切变形为主，因此在进行结构抗震计算时，宜采用底部剪力法。 多层砌体房屋地 震作用的计算采用底部剪力法
6.3多层砌体房屋抗震计算要点 6.3.1计算简图和地震作用 当多层砌体结构房屋的高宽比不超过《砌体结构设计规范》的限制时，由整体弯曲而产生的附加应力不大。因此，可不做整体弯曲验算，而只验算房屋在横向和纵向水平地震作用影响下，横墙和纵墙在其自身平面内的抗剪能力。 楼层地震剪力在墙体间的分配，当抗震横墙间距不超过限值要求时，认为： 横向地震作用全部由横墙承担； 纵向地震作用全部由纵墙承担。
6.3多层砌体房屋抗震计算要点 1 计算简图 ⑴将水平地震作用在结的两个主轴方向分别验算； ⑵地震作用下结构的变形为剪切型； ⑶各抗侧力构件在同一楼层标高处侧移相同。 多层砌体结构房屋的计算简图 ——嵌固于基础顶面竖立的悬臂梁，将各层质量集中于各层楼盖处。 G n F n + F n F i G i G j H i H j F Ek G i——集中于质点i 的重力荷载代表值，G i包括第i层楼盖自重和作用在该层楼面上的可变荷载，以及该层上下层墙体自重的一半。
《结构优化设计》 大作业报告 实验名称: 拓扑优化计算与分析 1、引言 大型的复杂结构诸如飞机、汽车中的复杂部件及桥梁等大型工程的设计问题，依靠传统的经验和模拟实验的优化设计方法已难以胜任，拓扑优化方法成为解决该问题的关键手段。近年来拓扑优化的研究的热点集中在其工程应用上，如: 用拓扑优化方法进行微型柔性机构的设计，车门设计，飞机加强框设计，机翼前缘肋设计，卫星结构设计等。在其具体的操作实现上有两种方法，一是采用计算机语言编程计算，该方法的优点是能最大限度的控制优化过程，改善优化过程中出现的诸如棋盘格现象等数值不稳定现象，得到较理想的优化结果，其缺点是计算规模过于庞大，计算效率太低;二是借助于商用有限元软件平台。本文基于matlab软件编程研究了不同边界条件平面薄板结构的在各种受力情况下拓扑优化，给出了几种典型结构的算例，并探讨了在实际优化中优化效果随各参数的变化，有助于初学者初涉拓扑优化的读者对拓扑优化有个基础的认识。
2、拓扑优化研究现状 结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，它在计算结构力学中已经被认为是最富挑战性的一类研究工作。目前有关结构拓扑优化的工程应用研究还很不成熟，在国外处在发展的初期，尤其在国内尚属于起步阶段。1904 年Michell在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念。自1964 年Dorn等人提出基结构法，将数值方法引入拓扑优化领域，拓扑优化研究开始活跃。20 世纪80 年代初，程耿东和N. Olhoff在弹性板的最优厚度分布研究中首次将最优拓扑问题转化为尺寸优化问题，他们开创性的工作引起了众多学者的研究兴趣。1988年Bendsoe和Kikuchi发表的基于均匀化理论的结构拓扑优化设计，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局面。1993年Xie.Y.M和Steven.G.P 提出了渐进结构优化法。1999年Bendsoe和Sigmund证实了变密度法物理意义的存在性。2002 年罗鹰等提出三角网格进化法，该方法在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。目前常使用的拓扑优化设计方法可以分为两大类：退化法和进化法。结构拓扑优化设计研究，已被广泛应用于建筑、航天航空、机械、海洋工程、生物医学及船舶制造等领域。 3、拓扑优化建模（SIMP） 结构拓扑优化目前的主要研究对象是连续体结构。优化的基本方法是将设计区域划分为有限单元，依据一定的算法删除部分区域，形成带孔的连续体，实现连续体的拓扑优化。连续体结构拓扑优化方法目前比较成熟的是均匀化方法、变密度方法和渐进结构优化方法。 变密度法以连续变量的密度函数形式显式地表达单元相对密度与材料弹性模量之间的对应关系，这种方法基于各向同性材料，不需要引入微结构和附加的均匀化过程，它以每个单元的相对密度作为设计变量，人为假定相对密度和材料弹性模量之间的某种对应关系，程序实现简单，计算效率高。变密度法中常用的插值模型主要有:固体各向同性惩罚微结构模型(solidisotropic microstructures with penalization，简称SIMP)和材料属性的合理近似模型(rational approximation ofmaterial properties，简称RAMP)。而本文所用即为SIMP插值模型。