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基于满应力法的龙门架交通标志杆优化设计

作者:沧州鼎旺交通设施有限公司 浏览: 发表时间:2020-07-23 16:59:39

       龙门架标志杆优化设计目的是减少材料用量,使成本造价降低。本文针对龙门架立柱和横梁截面尺寸大小,以龙门架立柱和横梁内径为设计变量、标志杆总体积为目标函数,采用满应力法对结构截面进行优化,得到结构***截面尺寸。研究表明:在给出的算例中,优化后标志杆体积比原来体积减少了31.5%。龙门架交通标志杄在满足工程要求的情况下,节省了大量的工程材料,经济效益显著,为交通标志杆优化提供了一种方法。
       目前我国高速公路与城市大中型道路建设快速发展,交通标志杆在现阶段使用数量越来越多。据统计,标志杆件成本约占整个交通建设项目总成本5%-7%。当前国内外研究者对标志杆进行了一些研究和探索,姜小锋与龙绛珠等人基于 Midascivil软件对标志杆进行建模分析,从提高标志杆承载力、减轻自重角度进行了标志杆的优化设计,研究设计出一种新型单向悬臂式标志杆。曹元军和周志成2研究了标志杆结构的受力情况,对常规有限元法和精确有限元法在设计交通标志结构时做了对比分析,阐明了精确有限元方法在结构上更具有优势。目前龙门架杆件是按经验值进行设计的,没有理论依据支撑,很多设计出的龙门架都没有统一的标准,尺寸五花八门,虽满足其承载力要求,但没有节约材料降低成本。满应力法是从结构力学原理出发,以充分发挥结构材料特性为目的,将结构截面尺寸作为变量,通过优化截面尺寸使结构重量最轻,充分达到其设计强度,以达到优化的目的。本文根据交通标志结构的相关研究3-5),运用满应力法对龙门架立住和横梁截面尺寸进行优化设计,满足标志杆的承载力要求,同时也符合道路交通建设的设计需要。
       1、龙门架交通标志杆优化设计数学模型参数本文选择龙门架立柱与横梁的截面尺寸为主要设计变量,标志杆总体积为目标函数,强度稳定约束条件、刚度约束条件截面尺寸约束条件(标志杆立柱最小尺寸定义为50mm,横梁最小尺寸定义为30mm)、结构整体约束条件为主要约束条件。其中龙门架立柱与横梁的截面尺寸,在杆件壁厚确定的情况下,确定杆件的内径即可。
       2、基于满应力法优化设计
       2.1满应力法优化设计程序通过对满应力法原理以及分析过程的理解,绘制了满应力法优化设计流程,见图1.该优化程序基于一般的连续性设计变量结构优化设计程序,进步将其适用到龙门架标志杆基于离散型变量的满应力设计。
       2.2龙门架标志杆满应力设计理论首先根据实际情况初定标志杆杆件的截面尺寸,进行标志杆的力学分析,求出约束与荷载效应下标志杆的各杆件控制截面的应力大小,然后对标志杆的每个杆件,从力学计算中找出最临界的应力,设为各杆件的临界应力与设计强度之比6,式中:k为满应力法中迭代的次数;a)为第i个构件的应力值(σ1)为第i个构件的强度设计值若计算结果β,>1,说明该杆件当前的截面面积A太小,需将截面面积放大B倍;反之,若<1,则说明该杆件现有的截面面积A1太大,应将截面面积缩小月倍,即:A2)如果不满足条件,则需要重复上面的计算过程,直到截面面积变化很小,甚至不再变化为止,此时优化设计过程结束。当第k次迭代时内力f)和第k+1次迭代时的内力f相等,且要求达到A)满应力,则有B*)4*(3)基于满应力法的优化设计时,运用应力比法计算结果一般需要多次迭代。为了减少迭代次数,提高运算效率,引进松超松弛因子,同时防止出现迭代发散的现象。A*1)=A(B()”式中:称为超松弛因子,根据杆件受力情况确定取值大小。构件如果受到拉力,的取值范围在1.051.15之间;杆件如果受到压力,的取值范围应小于1。取:7=1-0.05A。式中:A为杆件的长细比。

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