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【摘 要】随着当今社会的不断发展，大跨度的建筑结构设计行社的应用也越来越广泛，在人们的不断实践过程中空间结构的设计方式取得了极大的发展。空间桁架结构有着质量轻、刚性强、成本低廉、施工简便的优势，在包括航空、公路桥梁、水利、工业机械等许多工程中都得到了非常广泛的应用。但是现在空间桁结构仍然存在着如材料质量要求高、容易损耗等一些问题，因此，在实际的工程中如果能够对其进行进一步的优化设计，就能够更好的实现大跨度的空间结构的效果，进一步节约成本。本文中，笔者就以基于ANSYS的拓扑优化的方式来对空间桁架结构设计的优化进行探讨。
【关键词】ANSYS软件；空间桁架结构；拓扑优化；设计方案
0.引言
在当今社会，目前的建筑技术的空间桁架结构总体都是采用拓扑和增减尺寸的优化手段。本文主要论述的是拓扑优化的设计方法。拓扑优化就是形状的优化，包括离散体的优化和连续体的优化两种形式，而离散体的优化在实际过程中得到更广泛的运用。以下本文就以连续体的拓扑优化方式，通过采用ANSYS软件来对空间桁架结构的设计进行优化处理。
1.分析空间桁架结构拓扑优化设计的意义
作为大跨度建筑结构设计中常见结构形式的空间桁架结构，其有着质量轻、施工方便的特点，在文化宫、会议大楼、游乐场等大跨度的建筑结构中有被广泛的运用，因而提高空间桁架结构的设计水平、优化设计方案对建筑的稳定性和安全性都有着十分重要的意义，设计者必须加以重视。ANSYS软件是在对空间桁结构的设计进行优化的常用软件之一，通过其强大的计算能力来达到设计最优化的目的。在确保建筑结构合理安全的基础上，尽可能的减少材料的使用损耗，减少工程成本，尽量达到最经济合理的设计方案，达到我们所说的设计最优化。设计最优化在实现节能社会，落实科学发展观中有着至关重要的作用。在现代建筑的空间桁架结构中，主要是通过相关测量和调查，以掌握每个杆件之间的距离大小，然后再使用通过拓扑优化的方法来确认是否有杆件的存在。而对于连续体的方法来讲，现有的技术水平已经能够通过一定的软件技术来分析边界等基础信息，以得出最优的设计方案，这种技术的发展对于空间桁架结构的初期设计有着重大的意义。
2.建立空间桁架结构拓扑优化设计模型
ANSYS拓扑优化功能在经过一系列复杂的运算后可以求得最优结构，以便获得设计者需要的工程材料的最大、最小值。其原理是在满足结构需求的情况下，无限放大自身刚度，达到工程计算的最小误差值，同时优化自身的设计变量，实现单元密度的常态化。单元伪密度为0的材料为可以删除的部分，单元伪密度为1的材料为保留的部分。
ANSYS拓扑优化功能，模型中只能有下列单元类型：二维平面单元PLANE2和PLANE82，用于平面应力或轴对称问题；三维块单元SOUD92和SOLID95；壳单元SHELL93。
而在本文研究中的空间桁架结构总体尺寸较大，为5.8m×5.8m×25m，且作用力都集中在结构的外表面。若采用三维实体单元，尽管建模简单，但计算量大且对机器配置要求高，故采用壳单元SHELL93。
ANSYS程序只对单元类型编号等于1的单元网格进行拓扑优化，对于单元类型编号等于或大于2的单元网格部分不进行拓扑优化。所以，在划分模型网格时，必须确保拓扑优化的区域的单元类型编号为l。
优化模型根据与其连接部分结构尺寸条件建立，臂架结构顶部采用板结构焊接形式，本文将确定其为非优化区域，板厚为20mm，优化区域是由3个面组成的空间三维连续体结构，板厚为30mm。结构顶部前端垂直载荷40t，结构仰角：8l度。
3.空间桁架结构的拓扑优化及其优化结果
在建立了相应的优化模型之后，我们对臂架底部铰接的空间桁架结构设计方案，通过线性结构静力分析的手段对其开展了拓扑优化。现将拓扑优化的具体过程以及结果分析分别描述如下，以供参考。
3.1空间桁架结构的拓扑优化过程
ANSYS程序提供了1个专门用于预定义总体积的拓扑函数，即VOLUME，它既可作为目标函数，也可以用于约束条件。本文定义目标函数为MCOMP，VOLUME减少60%为约束条件，定义目标函数和约束条件的命令流如下：
…
TOCOMP，MCOMP，MULTIPLE，4
定义多柔度作为拓扑优化函数MCOMP
TOVAR，MCOMP，OBJ
定义柔度函数MCOMP作为拓扑优化目标
TOVAR，VOLUME，CON，60
总体积VOLUME减少60%
TODEF，0，0.00l
收敛容差为0.0001
TOPITER，20，l
最多执行20次迭代
…
ANSYS程序提供了优化准则法和连续凸函数寻优法两种拓扑优化的方法，优化准则法相比于连续凸函数寻优法仅仅只适用于运算体积相对较小的问题，而连续凸函数寻优法则适用于函数方法的组合解答。由于本文体积数值较小，所以选择优化准则法。
3.2空间桁架结构的拓扑优化结果
ANSYS程序提供了一个专门的拓扑函数VOLUME，它不仅可以作为目标函数，同时也可以作为约束条件。在通过使用ANSYS然间对目标进行拓扑优化中，我们必须对其进行多次的计算，在通过数据的分析比较后我们发现以下几点结论：
首先，在数据中我们发现，空间结构桁架的钢板厚度对拓扑优化法的实施不会造成影响，因此钢板厚度不再结构设计的考虑范围之类。
其次，设计中在利用ANSYS对结构进行拓扑优化的时候，不能兼顾到一些结构中的具体细节例如：杠杆的长度、粗细等等因此在其他的优化设计中要照顾到结构的美观、构件的制造工艺等等多方面的因素，同时我们可以调节一些优化后的结果，让构件的变动更能够满足需求。以期达到理想的目标数值
第三，ANSYS在进行再次求和的时候，构件的加权系数即可以运用先前的数据也可以运用取加权系数后总数的倒数，本文取4种工况加权系数均为0.25并且加大侧载，优化出能承受侧向弯矩的腹杆结构。
第四，ANSYS在进行了多种工况加权求和的时候，加权关系可以用自己预定定义的数组，也可以取加权系数均为工况总数的倒数。在拓扑优化结果的一定基础上，我们还可以利用APDL命令提取相应的坐标，得到相应的构件的节距，让满足一定强度条件下的截面在尺寸优化得以完成。
4.结束语
通过利用拓扑优化分析，在满足构件条件的基础上，确定出构件的具体尺寸，优化出构件的设计概念。我国在现代的建筑结构中运用ANSYS软件的拓扑优化方法是一个重要的进步，具有里程碑的意义，在现代社会中在建筑设计中完成合理数据的分析，达到规范设计流程，减少成本、提高美观度，是建筑设计的基础，所以ANSYS拓扑优化法很值得大力的发展很推进。 [科]
【参考文献】
[1]范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社，1997：10-25.
[2]张之铎.桥梁设计理论[J].北京：人民交通出版，1998：12-24.
[3]伊金霞.浅谈建筑设计中建筑节能及建筑噪声的控制意义[J].科技与企业，2012（19）.
【关键词】ANSYS软件；空间桁架结构；拓扑优化；设计方案
0.引言
在当今社会，目前的建筑技术的空间桁架结构总体都是采用拓扑和增减尺寸的优化手段。本文主要论述的是拓扑优化的设计方法。拓扑优化就是形状的优化，包括离散体的优化和连续体的优化两种形式，而离散体的优化在实际过程中得到更广泛的运用。以下本文就以连续体的拓扑优化方式，通过采用ANSYS软件来对空间桁架结构的设计进行优化处理。
1.分析空间桁架结构拓扑优化设计的意义
作为大跨度建筑结构设计中常见结构形式的空间桁架结构，其有着质量轻、施工方便的特点，在文化宫、会议大楼、游乐场等大跨度的建筑结构中有被广泛的运用，因而提高空间桁架结构的设计水平、优化设计方案对建筑的稳定性和安全性都有着十分重要的意义，设计者必须加以重视。ANSYS软件是在对空间桁结构的设计进行优化的常用软件之一，通过其强大的计算能力来达到设计最优化的目的。在确保建筑结构合理安全的基础上，尽可能的减少材料的使用损耗，减少工程成本，尽量达到最经济合理的设计方案，达到我们所说的设计最优化。设计最优化在实现节能社会，落实科学发展观中有着至关重要的作用。在现代建筑的空间桁架结构中，主要是通过相关测量和调查，以掌握每个杆件之间的距离大小，然后再使用通过拓扑优化的方法来确认是否有杆件的存在。而对于连续体的方法来讲，现有的技术水平已经能够通过一定的软件技术来分析边界等基础信息，以得出最优的设计方案，这种技术的发展对于空间桁架结构的初期设计有着重大的意义。
2.建立空间桁架结构拓扑优化设计模型
ANSYS拓扑优化功能在经过一系列复杂的运算后可以求得最优结构，以便获得设计者需要的工程材料的最大、最小值。其原理是在满足结构需求的情况下，无限放大自身刚度，达到工程计算的最小误差值，同时优化自身的设计变量，实现单元密度的常态化。单元伪密度为0的材料为可以删除的部分，单元伪密度为1的材料为保留的部分。
ANSYS拓扑优化功能，模型中只能有下列单元类型：二维平面单元PLANE2和PLANE82，用于平面应力或轴对称问题；三维块单元SOUD92和SOLID95；壳单元SHELL93。
而在本文研究中的空间桁架结构总体尺寸较大，为5.8m×5.8m×25m，且作用力都集中在结构的外表面。若采用三维实体单元，尽管建模简单，但计算量大且对机器配置要求高，故采用壳单元SHELL93。
ANSYS程序只对单元类型编号等于1的单元网格进行拓扑优化，对于单元类型编号等于或大于2的单元网格部分不进行拓扑优化。所以，在划分模型网格时，必须确保拓扑优化的区域的单元类型编号为l。
优化模型根据与其连接部分结构尺寸条件建立，臂架结构顶部采用板结构焊接形式，本文将确定其为非优化区域，板厚为20mm，优化区域是由3个面组成的空间三维连续体结构，板厚为30mm。结构顶部前端垂直载荷40t，结构仰角：8l度。
3.空间桁架结构的拓扑优化及其优化结果
在建立了相应的优化模型之后，我们对臂架底部铰接的空间桁架结构设计方案，通过线性结构静力分析的手段对其开展了拓扑优化。现将拓扑优化的具体过程以及结果分析分别描述如下，以供参考。
3.1空间桁架结构的拓扑优化过程
ANSYS程序提供了1个专门用于预定义总体积的拓扑函数，即VOLUME，它既可作为目标函数，也可以用于约束条件。本文定义目标函数为MCOMP，VOLUME减少60%为约束条件，定义目标函数和约束条件的命令流如下：
…
TOCOMP，MCOMP，MULTIPLE，4
定义多柔度作为拓扑优化函数MCOMP
TOVAR，MCOMP，OBJ
定义柔度函数MCOMP作为拓扑优化目标
TOVAR，VOLUME，CON，60
总体积VOLUME减少60%
TODEF，0，0.00l
收敛容差为0.0001
TOPITER，20，l
最多执行20次迭代
…
ANSYS程序提供了优化准则法和连续凸函数寻优法两种拓扑优化的方法，优化准则法相比于连续凸函数寻优法仅仅只适用于运算体积相对较小的问题，而连续凸函数寻优法则适用于函数方法的组合解答。由于本文体积数值较小，所以选择优化准则法。
3.2空间桁架结构的拓扑优化结果
ANSYS程序提供了一个专门的拓扑函数VOLUME，它不仅可以作为目标函数，同时也可以作为约束条件。在通过使用ANSYS然间对目标进行拓扑优化中，我们必须对其进行多次的计算，在通过数据的分析比较后我们发现以下几点结论：
首先，在数据中我们发现，空间结构桁架的钢板厚度对拓扑优化法的实施不会造成影响，因此钢板厚度不再结构设计的考虑范围之类。
其次，设计中在利用ANSYS对结构进行拓扑优化的时候，不能兼顾到一些结构中的具体细节例如：杠杆的长度、粗细等等因此在其他的优化设计中要照顾到结构的美观、构件的制造工艺等等多方面的因素，同时我们可以调节一些优化后的结果，让构件的变动更能够满足需求。以期达到理想的目标数值
第三，ANSYS在进行再次求和的时候，构件的加权系数即可以运用先前的数据也可以运用取加权系数后总数的倒数，本文取4种工况加权系数均为0.25并且加大侧载，优化出能承受侧向弯矩的腹杆结构。
第四，ANSYS在进行了多种工况加权求和的时候，加权关系可以用自己预定定义的数组，也可以取加权系数均为工况总数的倒数。在拓扑优化结果的一定基础上，我们还可以利用APDL命令提取相应的坐标，得到相应的构件的节距，让满足一定强度条件下的截面在尺寸优化得以完成。
4.结束语
通过利用拓扑优化分析，在满足构件条件的基础上，确定出构件的具体尺寸，优化出构件的设计概念。我国在现代的建筑结构中运用ANSYS软件的拓扑优化方法是一个重要的进步，具有里程碑的意义，在现代社会中在建筑设计中完成合理数据的分析，达到规范设计流程，减少成本、提高美观度，是建筑设计的基础，所以ANSYS拓扑优化法很值得大力的发展很推进。 [科]
【参考文献】
[1]范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社，1997：10-25.
[2]张之铎.桥梁设计理论[J].北京：人民交通出版，1998：12-24.
[3]伊金霞.浅谈建筑设计中建筑节能及建筑噪声的控制意义[J].科技与企业，2012（19）.