考虑铸造约束的空间结构节点拓扑优化设计研究

作     者：韩文哲 王超 杜文风 余永强 徐斌 

作者机构：河南理工大学土木工程学院 河南大学土木建筑学院 西北工业大学力学与土木建筑学院 

出 版 物：《建筑结构学报》 (Journal of Building Structures)

年 卷 期：2024年第10期

页      面：170-180页

核心收录：

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

基　　金：国家自然科学基金项目(12372124) 中国博士后科学基金资助项目(2023T160189) 河南省高等学校重点科研项目(24A130001) 中建股份重点研发课题(CSCEC-2020-Z-4) 

主　　题：空间结构 节点 拓扑优化 铸造约束 可制造性设计 

摘      要：针对工业化批量生产的高性能可铸造性空间结构节点设计问题，引入集成铸造约束的连续体结构拓扑优化方法，对典型空间结构节点进行了拓扑优化设计研究。建立了多荷载工况下协同考虑铸造约束和材料体积约束的节点域应变能最小化(等价于节点刚度最大化)优化模型，利用阈值投影技术抑制密度过滤导致的大量中间密度单元以改善设计性能，通过MATLAB实现优化程序。以经典3D四耳板空间结构节点为设计对象，进行了有无铸造约束的空间结构节点拓扑优化对比研究，并分析了不同过滤半径、荷载工况、材料体积以及网格密度对节点优化设计的影响规律。研究结果表明：传统优化设计方法不能确保空间结构节点设计满足铸造工艺要求，引入铸造约束是解决这一难题的必要且可行方法；降低过滤半径和提高材料用量将有助于增强节点设计刚度，细化有限元网格能够改善节点设计质量，但将大幅增加计算成本。