【1】 技術背景

本次設計針對水面上部橋墩的結構，應用背景為橋梁工程。結構應用過程中承受車輛通行出現的移動荷載，橋面自重產生的豎向均布荷載及連接處的水平荷載共同作用，不斷變化的風荷載，以及水流對地面橋墩的沖擊力產生的彎矩扭矩等荷載作用，此時橋墩會產生微小的壓彎及扭轉變形。而通常情況下，我們根據普通規范所做的設計，并不會對結構用料進行過詳細的考慮。但為保證橋梁的安全使用，結構用料往往會溢出，從而造成一定程度的浪費。

為了更好的優化結構受力及結構傳力性能，本案例對結構進行優化設計。

【2】 模型資料

模型使用中承受來自固定方向的風荷載，對橋面向風的產生的均布荷載荷載作用，橋梁兩端會有連接壓力，同時也會的對橋整體產生一定的扭矩作用，水中橋墩部分會有來自水流的沖擊力作用，以及最重要的來自橋自重產生的壓力和其上方的車輛產生的移動荷載作用，分別作用在橋板的側面位置和正上方位置，橋墩正前方以及橋墩底部位置等。

本次分析模型針對結構的橋墩部分，其模型見下圖CAD的三視圖：

 

                                           圖一

 

                                                     圖二

 

                                                圖三

    在上方的模型三視圖中，按照了1：100的比例進行縮小，采用1200*160*30（mm）的橋板，四角為中間是40*40*100的正方體加底面是半徑為28.3高30的圓柱體的橋墩，橋梁中間是用一個0.5*60*40*130的菱形四棱柱，窄向朝前。

 

【3】 建模及分析過程

 

1. 模型

具體模型及其受力狀態如下方所示：

 

                                                                      圖四

 

2.荷載及邊界條件

    對于上方的自重及移動荷載，采取1000KPa的均布荷載代替，以正前方為風所吹來的方向正向風荷載為100KPa，后方柱子稍有減弱，為50KPa，兩側方受500KPa的壓力及5000N·m的扭矩組合，下方圓柱橋墩受5000N的水流沖力作用。

 

3.  荷載作用下結構的受力云圖及變形云圖

受力云圖：

 

                                                           最大切應力

 

                                                           第一主應力

 

                                                            第三主應力

 

變形云圖：

 

                                                            拉伸/壓縮變形

 

                                                           位移

 

【4】 優化參數設定

為了更好的優化模型使模型的結構更加節約材料，對模型進行了拓撲優化，優化控制參數為設計空間總體積的35%、40%、45%，厚度約束最小為0.030114 m。

【5】 優化結果

經過計算優化結果如下：

35%：

 

 

40%：

 

 

45%:

 

 

為了更加合理的使用，并給結構一定的安全儲備，選擇40%為最終優化結果進行優化設計。

 

【6】 最終設計

 

經過優化后 ，對結構的形式進行如下設計給出相應的結果圖：