【摘要】：桁架結(jié)構(gòu)具有自重輕、造價(jià)較低和施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn),在工程中得到廣泛應(yīng)用,其領(lǐng)域涉及工程機(jī)械,橋梁設(shè)計(jì)、施工支護(hù)、建筑結(jié)構(gòu)以及水工渡槽、閘門支撐、輸電網(wǎng)架等諸多方面,在工程建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。以空間相機(jī)為例,目前國(guó)外的大中型空間光學(xué)相機(jī)主次鏡間的結(jié)構(gòu)多采用桁架式,其設(shè)計(jì)思想基于變構(gòu)件受彎曲載荷為拉壓載荷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則,具有比剛度高、質(zhì)量輕、適于長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)布局等優(yōu)點(diǎn)。此外,桁架結(jié)構(gòu)還應(yīng)用于飛機(jī)、衛(wèi)星、空間站等航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)獲取最優(yōu)桁架布局的方法是利用連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的類桁架結(jié)果近似,但是它存在著等效性不確定、尺寸參數(shù)未知等缺陷,而直接采用桁架拓?fù)鋬?yōu)化則可有效避免這些問題。因此我們探尋將桁架拓?fù)鋬?yōu)化方法應(yīng)用于實(shí)際工程問題的有效途徑。在此基礎(chǔ)上,對(duì)經(jīng)緯儀的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行桁架設(shè)計(jì),即用桁架結(jié)構(gòu)代替連續(xù)體結(jié)構(gòu),在保證其他性能不變的同時(shí)使總體結(jié)構(gòu)重量最輕,以提供其量化設(shè)計(jì)方案。對(duì)此,論文主要進(jìn)行了以下工作:構(gòu)建任意形狀設(shè)計(jì)區(qū)域的桁架基結(jié)構(gòu)的研究:針對(duì)工程問題形狀復(fù)雜、不規(guī)則的特點(diǎn),擴(kuò)展并完善了基于有限元網(wǎng)格構(gòu)建桁架基結(jié)構(gòu)的方法,通過結(jié)合圖形碰撞檢測(cè)技術(shù),并利用離散逼近的思路,成功實(shí)現(xiàn)了包含任意數(shù)量凹形狀的復(fù)雜設(shè)計(jì)區(qū)域的分級(jí)/滿級(jí)連接基結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。同時(shí)基于節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)差的途徑,實(shí)現(xiàn)了重疊桿件快速、高效的查找。桁架基結(jié)構(gòu)構(gòu)建合理性的研究:根據(jù)力傳遞路徑法,提出了通過求解設(shè)計(jì)區(qū)域在邊界條件下的主應(yīng)力跡線分布構(gòu)建桁架節(jié)點(diǎn)的途徑,可以得到包含更好拓?fù)浣Y(jié)果的桁架基結(jié)構(gòu)集合。其具有較少節(jié)點(diǎn)及桿件數(shù)量,并可優(yōu)化得到與解析解十分接近的數(shù)值解。此外,通過結(jié)合分量載荷的疊加準(zhǔn)則,成功地將此方法推廣到多工況時(shí)的情況。大規(guī)模桁架塑性設(shè)計(jì)快速求解方法的研究:針對(duì)桁架滿連接桿件數(shù)量大,計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)的問題,對(duì)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)加桿法進(jìn)行改進(jìn)完善。通過采用"從短到長(zhǎng)"的逐級(jí)加桿的策略并限制迭代步增加桿數(shù)量的途徑,降低了線性規(guī)劃的規(guī)模及求解時(shí)間,同時(shí)降低了求解虛應(yīng)變值時(shí)候選桿件的規(guī)模及內(nèi)存分配。此外,通過結(jié)合主應(yīng)力跡線法及合理的迭代終止條件,解決了傳統(tǒng)加桿法中存在的"偽虛位移值"現(xiàn)象,使大規(guī)模桁架塑性設(shè)計(jì)的優(yōu)化效率得到大幅度地提高。珩架彈性拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的研究:從半定規(guī)劃入手,推導(dǎo)了桁架彈性設(shè)計(jì)中以最小重量為目標(biāo),柔順度為約束的問題和以最大剛度為目標(biāo)、體積為約束的問題的等效半定規(guī)劃模型,從數(shù)值算例和理論推導(dǎo)兩方面證明了二者拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的一致性。同時(shí)通過示例說(shuō)明了桁架彈性設(shè)計(jì)和塑性設(shè)計(jì)在單、多工況下拓?fù)浣Y(jié)果的差異性。光電經(jīng)緯關(guān)鍵部件輕量化方案的研究:分析了光電經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)臺(tái)和四通的工作特點(diǎn)及與其他部件的連接關(guān)系,建立了合理的網(wǎng)格離散模型及桁架基結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行了桁架塑性與彈性拓?fù)鋬?yōu)化。作為補(bǔ)充也進(jìn)行了連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化。綜合比較所得的各優(yōu)化結(jié)果確立了桁架結(jié)構(gòu)輕量化方案,然后對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證,結(jié)果表明輕量化方案在滿足各指標(biāo)的同時(shí)大幅減輕了結(jié)構(gòu)重量,實(shí)現(xiàn)了最初設(shè)計(jì)期望。
[Abstract]:Truss structure has the characteristics of light weight, low cost and simple construction. It has been widely used in engineering. Its fields include construction machinery, bridge design, construction support, building structure, aqueduct, gate support, transmission grid and so on. It is playing an increasingly important role in engineering construction. The main and secondary mirrors of large and medium-sized space optical cameras in foreign countries usually adopt truss structure. The design idea is based on the structural optimization design principle that the bending load is tension and compression load. The truss structure has the advantages of high specific stiffness, light weight and suitable for the layout of long focal length optical system. The traditional method to obtain the optimal truss layout is to use the approximate truss-like results of continuum topology optimization, but it has some shortcomings such as equivalence uncertainty, unknown size parameters and so on. The direct use of truss topology optimization can effectively avoid these problems. The truss topology optimization method is an effective way to apply to practical engineering problems. On this basis, the truss design of the key components of theodolite is carried out, that is, truss structure is used instead of continuum structure to ensure other performance unchanged while minimizing the overall structure weight to provide its quantitative design scheme. The following work: Research on the construction of truss foundation structure with arbitrary shape design area: In view of the complex and irregular shape of Engineering problems, the method of constructing truss foundation structure based on finite element mesh is extended and improved. By combining with graphic collision detection technology and using discrete approximation method, the method of containing arbitrary number of concave shapes is successfully realized. The construction of a hierarchical/full-level connection base structure for a complex design region with a shape is described. Based on the coordinate difference between nodes, the overlapping members can be found quickly and efficiently. In addition, by combining the superposition criterion of component loads, this method is successfully extended to the case of multi-load cases. Large-scale truss plastic design is fast. Research on the method of quick solution: Aiming at the problem of large number of truss full connecting rods and time-consuming calculation, the traditional method of adding rods is improved and perfected. In addition, by combining the principal stress trace method with the reasonable iterative termination conditions, the phenomenon of "pseudo-displacement" in the traditional method of adding bars is solved, which greatly improves the efficiency of plastic design of large-scale trusses. The equivalent semi-definite programming model of truss elastic design with minimum weight as the objective, flexibility as the constraint and maximum stiffness as the objective and volume as the constraint is deduced. The consistency of the two topological optimization results is proved by numerical examples and theoretical derivation. Research on the lightweight scheme of the key components of photoelectric theodolite: The working characteristics of the turntable and the four-way connection of the photoelectric theodolite and their connection with other components are analyzed. A reasonable mesh discrete model and truss base structure are established. The plastic and elastic topology optimization of the truss are carried out. As a supplement, continuum topology optimization is also carried out. The lightweight scheme of truss structure is established by comparing the results of optimization. Then the improved structure is verified by finite element analysis. The results show that the lightweight scheme not only meets the requirements, but also greatly reduces the weight of the structure and achieves the initial design expectations.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB21

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本文編號(hào)：2198519