鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法研究

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的D區(qū)部位應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，其截面變形不滿足平截面假定。目前我國(guó)規(guī)范對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)的設(shè)計(jì)多采用經(jīng)驗(yàn)公式，力學(xué)概念不清楚，計(jì)算模型不明確，所得結(jié)果可能偏于保守或偏于不安全。本項(xiàng)目在綜合調(diào)研已有研究成果的基礎(chǔ)上，采用遺傳演化結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法構(gòu)造了鋼筋混凝土D區(qū)構(gòu)件的壓桿-拉桿模型，以Michell為指導(dǎo)探討分析了這些壓桿-拉桿模型的合理性，比較了鋼筋混凝土材料性能考慮與否對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)區(qū)分鋼筋和混凝土兩種不同材料使計(jì)算工作量大為增加，但不能顯著提高計(jì)算精度。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了便于計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的計(jì)算方法，與現(xiàn)有商業(yè)有限元軟件完美結(jié)合，可用于構(gòu)造任意尺寸、任意荷載、任意支承條件下的各類構(gòu)件的壓桿-拉桿模型。設(shè)計(jì)制作了無(wú)孔深梁、開(kāi)孔深梁、Z形梁等構(gòu)件，完成了與現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)方法的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)行規(guī)范方法對(duì)鋼筋混凝土D區(qū)構(gòu)件的破壞形態(tài)及承載力的估計(jì)都存在偏差，而按優(yōu)化方法構(gòu)造的壓桿-拉桿模型可以在一定程度上解釋試驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)構(gòu)件承載力的估計(jì)也相對(duì)準(zhǔn)確。本項(xiàng)目研究完善了混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)設(shè)計(jì)方法，為優(yōu)化設(shè)計(jì)理論提供了寶貴的試驗(yàn)支持，對(duì)促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的發(fā)展具有重要意義。 2100433B

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的D區(qū)部位應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，其截面變形不滿足平截面假定。目前我國(guó)規(guī)范對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)的設(shè)計(jì)多采用經(jīng)驗(yàn)公式，力學(xué)概念不清楚，導(dǎo)致設(shè)計(jì)可能偏于保守或偏于不安全。本項(xiàng)目重點(diǎn)研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法，探討合理統(tǒng)一的分析設(shè)計(jì)D區(qū)結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論和計(jì)算模型，對(duì)完善混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論具有重要意義。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要考慮鋼筋和混凝土的本構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)分析的多荷載工況特性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多目標(biāo)特性，為此本項(xiàng)目擬將遺傳演化結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法與數(shù)學(xué)理論完備的Michell理論相結(jié)合，提出新的拓?fù)鋬?yōu)化算法，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)造反映鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)受力特點(diǎn)的拉壓桿模型，完成配筋優(yōu)化設(shè)計(jì)和相關(guān)的試驗(yàn)研究，同時(shí)提供便于計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的計(jì)算方法。本項(xiàng)目研究不僅可以完善混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)設(shè)計(jì)方法，為優(yōu)化設(shè)計(jì)理論提供寶貴的試驗(yàn)支持，對(duì)促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的發(fā)展具有重要意義。

模糊多準(zhǔn)則決策是近年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界極其活躍的研究領(lǐng)域之一，現(xiàn)已取得大量研究成果，但也存在某些相互矛盾的結(jié)論和縣而未決的問(wèn)題。故系統(tǒng)研究模糊多準(zhǔn)則決策的理論和方法，解決模糊多屬性決策與模糊多目標(biāo)決策中存在的若干疑難問(wèn)題，不僅具有重要的理論價(jià)值，且可促進(jìn)模糊技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)造良好的應(yīng)用前景。 2100433B

針對(duì)拓?fù)鋱D提取中的中間單元、棋盤(pán)格和輪廓提取問(wèn)題，本項(xiàng)目研究建立完整的柔順機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中的拓?fù)鋱D提取理論和方法體系。首先基于SIMP松弛設(shè)計(jì)變量，結(jié)合體積約束延拓和漸進(jìn)方案，分層去除無(wú)效材料，建立基于SIMP和體積約束延拓的漸進(jìn)0-1拓?fù)鋬?yōu)化方法；然后在優(yōu)化模型中施加擬萬(wàn)有引力約束，推導(dǎo)多約束最佳準(zhǔn)則，建立基于擬萬(wàn)有引力約束的消除棋盤(pán)格的方法；隨后在SIMP中增加單元材料面積因子，確立考慮面積因子的最佳準(zhǔn)則,在設(shè)計(jì)變量更新過(guò)程中利用水平集方法捕捉變化的拓?fù)鋱D邊界，建立基于SIMP和水平集方法的拓?fù)浜洼喞絻?yōu)化方法。最后結(jié)合考慮邊界單元的擬萬(wàn)有引力約束、考慮面積因子的多約束最佳準(zhǔn)則和考慮邊界單元的體積約束延拓和漸進(jìn)方案，建立完整的柔順機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱D提取理論和方法體系。利用三維模擬仿真和位移實(shí)驗(yàn)，修正和完善拓?fù)鋱D提取理論和方法體系，使基于拓?fù)鋬?yōu)化方法所設(shè)計(jì)出的柔順機(jī)構(gòu)能夠直接勝任于工程應(yīng)用。

研究了一種黑白無(wú)鉸鏈拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先尋找一個(gè)允許灰度邊界的最佳拓?fù)洌?dāng)?shù)玫揭粋€(gè)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)之后，將該解作為后續(xù)優(yōu)化的起始點(diǎn)，以去除中間單元。建立了一個(gè)更新的最佳準(zhǔn)則，引入一個(gè)閾值因子來(lái)逐漸抑制低密度單元。傳統(tǒng)的最佳方法和所建議的新技術(shù)相繼應(yīng)用于設(shè)計(jì)過(guò)程。而且，為了克服去除中間單元過(guò)程中產(chǎn)生的一點(diǎn)鉸鏈問(wèn)題，建立了鉸鏈去除策略。提出一種多層漸進(jìn)黑白(0-1)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法。將拓?fù)鋱D中無(wú)效的中間單元看成多余材料，在此基礎(chǔ)上，采用體積比多層延拓方案，逐步逼近優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)體積比，同時(shí)，利用基于相對(duì)密度的單元漸進(jìn)篩選方法，分層地去除設(shè)計(jì)域中的無(wú)效材料，保留其中的最有效材料，并逐層縮小拓?fù)鋬?yōu)化模型的可利用材料域。提出一種基于無(wú)棋盤(pán)格約束的柔順機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先分析拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中的棋盤(pán)格現(xiàn)象，然后建立消除棋盤(pán)格的約束條件，在此基礎(chǔ)上建立具有消除棋盤(pán)格的設(shè)計(jì)變量更新最佳準(zhǔn)則，推導(dǎo)無(wú)棋盤(pán)格約束靈敏度。提出一種基于梯度矢量流模型的柔順機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱D的輪廓提取方法。給出了不同的初始蛇模型及相應(yīng)的模型演化方法，實(shí)現(xiàn)了柔順機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱D輪廓的自動(dòng)提取。 2100433B