一种基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115906572A(43)申请公布日2023.04.04(21)申请号202211509867.0G16C60/00(2019.01)(22)申请日2022.11.29G06F111/04(2020.01)(71)申请人中铁第四勘察设计院集团有限公司地址430063湖北省武汉市杨园和平大道745号(72)发明人孙立张子龙张鹏朱彬张政尹银艳张超永张泽李启航任西冲叶松刘杰廉紫阳雷鸣段晓晖(74)专利代理机构武汉东喻专利代理事务所(普通合伙)42224专利代理师张吕东(51)Int.Cl.G06F30/23(2020.01)G06F30/18(2020.01)权利要求书2页说明书7页附图2页(54)发明名称一种基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法(57)摘要本发明公开了一种基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法，属于工程技术领域，其通过针对钢管混凝土轨枕的连接件和轨枕块分别设置拓扑优化步骤，基于APDL语言并采用结构拓扑优化的方法，完成了钢管混凝土连接件以及混凝土轨枕块的优化，实现了优化后钢管混凝土轨枕结构模型的快速获取。本发明的基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法，其设计过程简单，能够对钢管混凝土轨枕结构进行优化设计，使得轨枕结构中钢管混凝土连接件和混凝土轨枕块的质量分布更加合理、参数设计更加准确，提升了钢管混凝土轨枕结构的抗变形、抗破坏能力，减少了钢管混凝土轨枕结构的材料用量，节约了成本，提高了经济效益，具有较好的实用价值和应用前景。CN115906572ACN115906572A权利要求书1/2页1.一种基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立钢管混凝土连接件的初始有限元模型，对模型进行静力计算，并对模型计算结果进行校核；S2:、通过ANSYS的APDL语言将基于人工密度法的连续结构拓扑优化方法写入ANSYS优化迭代计算程序；S3、建立钢管混凝土连接件模型，对其进行网格划分，并定义模型中的优化区域，确定拓扑优选设计变量、优化目标和优化约束条件；S4、利用ANSYS优化迭代计算程序进行优化计算；若计算不收敛，根据计算结果更新设计变量，直到计算收敛，得到最终的钢管混凝土连接件的优化模型；S5、根据钢管混凝土连接件尺寸的优化计算结果，建立完整的钢管混凝土轨枕三维模型；S6、将钢管混凝土轨枕三维模型导入有限元计算软件，进行网格划分，设置边界条件并施加对应的荷载工况，在此基础上进行有限元静力计算，并对计算结果进行校核；S7、定义混凝土轨枕块的拓扑优化设计变量、优化目标和优化约束条件；S8、利用ANSYS优化迭代计算程序进行优化计算；若计算不收敛，根据计算结果将设计变量进行更新，重新进行S5中的过程，直到计算收敛，得到最终的优化模型；S9、根据优化后得到的混凝土轨枕块拓扑结构对钢管混凝土轨枕进行重新设计，通过三维软件得到最优的钢管混凝土轨枕结构三维模型。2.根据权利要求1所述的基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法，其特征在于，在S2中，APDL实现的算法包括如下过程：(1)确定优化区域后，建立材料的相对密度场，并以材料的相对密度作为设计变量；(2)写入SIMP材料差值模型，建立材料相对密度场和材料性能之间的关系，SIMP材料差值模型描述如下：TnFin:ρ＝(ρ1，ρ2，…，ρi)∈R，i＝1，2，…，NMinimize：SubjecttoF＝KU0≤ρe≤1式中，ρ为密度设计变量；ρe为单元密度设计变量；C为结构总体柔度；U为位移矩阵；K为总刚矩阵；ue为单元位移矩阵；k0为单元刚度矩阵；p为惩罚因子；V为优化后的结构体积；V0为整个设计域的初始体积；ve为优化后的单元体积；f为优化前后的体积比；F为荷载矩阵；其中单元密度设计变量位于0到1之间；(3)进行差值计算后，获取中间密度材料区域，对中间密度区域进行惩罚计算，使得材料的相对密度场发生变化；(4)通过不断更新材料密度分布，最终获得优化模型的密度分布。2CN115906572A权利要求书2/2页3.根据权利要求1所述的基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法，其特征在于，还包括步骤：S10、将优化后得到的轨枕结构三维模型导入有限元计算软件，网格划分后，施加S6中的荷载工况和边界条件进行静力计算，将计算结果与S6的结果进行对比，校核优化后的钢管混凝土轨枕结构强度。4.根据权利要求1或3所述的基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法，其特征在于，施加的荷载工况包括列车荷载、吊装荷载以及施工荷载。5.根据权利要求1～3中任一项所述的基于APDL的钢管混凝土轨枕结构拓扑优化设计方法，其特征在于，在S1中，需要针对所述初始