結構概念設計的案例
【JY】結構概念設計之（隔震概念設計）
一、抗震與隔震概述
在地震過程中，造成人員傷亡和財產損失的主要原因是建筑結構的
破壞和倒塌（樓板落地是倒塌的標志）
。因此，要減少或避免地震災害的重要途徑是增加建筑結構的抗震能力，使建筑結構在地震作用下少倒塌或是不倒塌。為了實現這一目標，
傳統的抗震理論是通過增加建筑結構剛度和強度，并保障結構延性儲備，依靠自身強度和塑性變形吸收地震能量，使建筑結構在大震作用下不倒塌。
可見傳統的抗震結構是通過結構和結構構件來抵抗并消耗地震能量的，設計時將地震作用作為一種外加荷載，與作用在結構上的其他荷載進行組合來設計和驗算結構是否滿足設計和使用要求。
結構概念設計文章可看：
【JY|理念】結構概念設計之(結構體系概念)
【JY|理念】結構概念設計之(設計理念進展)
然而，在烈度較高地區或是安全級別較高的建筑物，采用傳統的抗震方法較難滿足要求，即便滿足安全要求，也會犧牲建筑功能或是其他要求(如傳統結構設計的醫院，在大震后幾乎喪失了救助能力)。
而隔震和消能減震技術則提供一條新的抗震途徑。尤其是隔震技術，經歷過實際地震檢驗，可以有效的減輕地震作用，提升工程抗震能力，對保護人民生命財產安全、減輕震害具有明顯的經濟效益和社會效益。隔震結構則增加了專門的變形和耗能裝置：橡膠隔震支座和阻尼器（如鉛阻尼器、油阻尼器、鋼棒阻尼器、粘彈性阻尼器、滑板支座等），橡膠隔震支座具有提供豎向承載能力、彈性復位能力、良好的變形能力等特性，此外鉛芯橡膠隔震支座同時還具有消耗地震能量的耗能特性。
展開 建筑結構抗震設計的核心：概念設計
結構設計者應該使抗震概念設計貫穿于結構設計的整個過程，不斷思考、不斷創新，同時把握好設計的大原則，這樣才能保證設計成果的科學性和嚴謹性。
來源：土木檢測
結構抗震概念設計的核心，你知道嗎？
建筑結構抗震設計包含了兩個設計范疇，即概念設計和參數設計。建筑結構抗震概念設計主要針對地震的不確定性和近似性，從概念上，特別是從結構總體上考慮抗震的工程決策；建筑結構的參數設計主要是采用二階段的抗震設計方法(地震作用計算、構件強度驗算和結構變形驗算等)實現三水準的抗震設防要求。
兩者是相輔相成的。作為一個正確的抗震設計，必須重視抗震概念設計，靈活而又合理地運用抗震設計思想，才能不致陷入盲目的計算工作。
1 場地與地基的概念設計
場地影響結構的地震反應，結構地震反應的大小決定了結構的震害。一般來說，在深厚的軟土層上，高層建筑的地震反應較為強烈；在淺薄的硬土層上，則自振周期較短的結構的地震反應較為強烈。因此，在設計軟土地基上的房屋時，要注意柔性結構的反應；反之，在設計硬土地基上的房屋時，要注意剛性結構的反應。
在地基和基礎設計中，要注意：同一結構單元不宜設置在性質截然不同的地基土上以及采用不同類型的基礎，地基有軟弱粘性土、液化土、新近填土或嚴重不均勻土層時，宜加強基礎的整體性和剛性
2 結構布置的概念設計
地震后的震害調查和理論分析證明，結構體型簡單，剛度中心和質量中心一致，沿平面、豎向的質量分布及剛度分布均勻的建筑物，有更好的抗震能力，震害小。
展開 【JY】結構概念之(消能減震黏滯阻尼器)
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【JY】基于性能的抗震設計淺析（二）
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【JY】近斷層結構設計策略分析與討論
【JY】淺析各動力求解算法及其算法數值阻尼(人工阻尼)
理念
【JY|體系】結構概念設計之(結構體系概念)
【JY|理念】結構概念設計之(設計理念進展)
【JY】有限單元分析的常見問題及單元選擇
【JY】結構動力學之顯隱式
【JY】淺談結構設計
【JY】淺談混凝土損傷模型及Abaqus中CDP的應用
【JY】結構概念設計之（隔震概念設計）
#
概
念
機
理
【JY】基于Ramberg-Osgood本構模型的雙線性計算分析
【JY】結構動力學初步-單質點結構的瞬態動力學分析
【JY】從一根懸臂梁說起
【JY】反應譜的詳解與介紹
【JY】結構瑞利阻尼與經濟訂貨模型
【JY】主成分分析與振型分解
【JY】淺談結構多點激勵之概念機理（上）
【JY】淺談結構多點激勵之分析方法（下）
【JY】板殼單元的分析詳解
【JY】橡膠支座的簡述和其力學性能計算
【JY】振型求解之子空間迭代
【JY】橡膠支座精細化模擬與有限元分析注意要點
【JY】推開土木工程振型求解之蘭索斯法(Lanczos法)的大門
【JY】基于OpenSees和Sap2000靜力動力計算案例分析
展開 
基于概念設計的汽車輪轂輕量化設計
摘 要：為達到汽車輪轂輕量化目的，在汽車輪轂的概念設計階段對汽車輪轂進行結構尋優。用拓撲優化技術作為概念設計的方法，建立基于變密度拓撲優化方法的汽車輪轂概念設計數學模型；利用ProE三維建模軟件建立某汽車輪轂的三維模型和概念幾何模型；使用Hypermesh前處理軟件建立某汽車輪轂的概念設計有限元模型，然后引用折中規劃法解決多工況問題，在Optistruct結構優化軟件中建立汽車輪轂的優化模型和優化參數；利用拓撲優化技術在hyperworks軟件OSSmooth模塊構建了3種輪轂的創新型拓撲結構，分別將3種不同的拓撲結構導入CAD軟件進行二次設計，對二次設計后的新型輪轂進行有限元分析。結果表明：在滿足材料許用應力的前提下，7輻輪轂相比8輻、9輻以及原輪轂更滿足要求，質量比原輪轂減小12.2%。
關鍵詞：概念設計；汽車輪轂；拓撲優化；輕量化
0 引言
節能減排已成為汽車工業發展的主要方向，汽車輕量化是實現汽車節能減排的最佳途徑，合理的結構設計是汽車輕量化的有效手段。汽車輪轂是汽車的重要部件，在行駛過程中，汽車與地面之間的力和力矩都是由輪轂承受和傳遞，輪轂直接影響汽車的整體行駛穩定性、安全性、可靠性、平順性、牽引性以及外觀形狀，對汽車的整體能源消耗和輪胎壽命有很大影響。我國汽車結構輕量化技術發展迅速，國內很多學者根據有限元仿真技術對汽車現有結構進行了優化，雖然達到了較好效果，但忽略了結構的概念設計階段。
概念設計作為機械產品重要的前期設計階段，很大程度上決定了客戶對產品的功能要求。相對于中后期的結構優化，早期的設計成本更低，設計自由度更高。通過概念設計階段科學的分析計算，建立較為理想的設計模型，減少了設計中后期因為改進需要進行的大量反復修改，既縮短了周期又降低了成本[1-3]。
展開 飛機新概念結構設計與工程應用
這是因為飛機結構非常復雜，零部件離散，以接頭連接、鉚接/螺接為主，涉及10余個大部件、上百種工藝、數萬個零件、數十萬個標準件（見圖1）。上述大量連接導致結構搭接過多而超重、疲勞薄弱環節增多而開裂。另一方面，長期采用串行“孤島”模式，設計與制造脫節，創新途徑不暢通，弊端周而復始[1-3]。
圖1 復雜的機體結構
Fig.1 Complex aircraft structure
先進制造技術為飛機結構創新提供了契機?；谙冗M制造“量身定做”，即設計制造一體化來創造飛機新概念結構。所謂新概念結構是指通過設計與制造高度融合構造出的全新結構形式，包括大型整體化、構型拓撲化、梯度復合化和結構功能一體化（見圖2）。新概念結構具有高減重、長壽命、多功能、低成本、快速響應研制等顯著優勢，有望突破傳統結構“天花板”，為新機研制提供技術支撐[4]。但既要設計得出，也要造得出，并保障使用安全，是前所未有的挑戰。
圖2 基于增材制造的新概念機構
Fig.2 New concept structure based on additive manufacturing
1 無設計分離面連接的機翼-機身整體結構
帶制造屬性和壽命屬性的多約束協同設計方法，包括建立多約束協同設計模式以打通結構創新途徑，建立多約束設計域以支撐協同設計（見圖3）。
式中：兩個m分別代表材料和制造，兩個c分別代表成本和結構完整性。確定制造和壽命屬性設計約束及將材料規格和工藝邊界等納入設計許用值，用升降法確定骨干鈦合金損傷容限“門檻值”（σTA15≤560MPa，σTC4 ≤540MPa），以此完善設計域邊界。
展開 利用solidThinking Inspire進行概念生成，優化產品設計
設計工程師專屬結構概念設計工具solidThinking Inspire# 又新增一成功案例，來自加拿大的著名山地車配件制造商RACE FACE。
RACE FACE借助Inspire開發了一全新的曲柄臂，經過優化設計的曲柄臂相較之前，在同等重量下剛度提升了25%-50%。
結論
Race Face已經看到了先使用solidThinking Inspire進行概念生成所帶來的優勢。借助這種方式打造出的自行車曲柄臂不僅剛度高于前代產品，設計也極為獨特。放眼未來，Race Face團隊計劃繼續使用solidThinking Inspire，希望進一步減輕所設計產品的重量。
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展開 【JY】淺談混凝土結構/構件性能試驗指標概念（一）
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展開 純電動汽車正面碰撞概念設計
純電動車正碰車體結構概念設計，可選擇地板縱梁方案或者前縱梁加深方案，后者能夠給動力電池提供更大的空間，所以應該是未來的趨勢。
無論是地板縱梁方案還是前縱梁加深方案，前縱梁根部都是最值得關注的部位，應進行多重強化設計，并增加斜向支撐和前壁板底部橫梁。
如果在第二傳力路徑前端增加延伸梁，在正碰時能夠潰縮吸能，從而改善整體耐撞性，但第二傳力路徑吸收的動能極為有限，只能作為第一傳力路徑的輔助。
本文轉自公眾號模態空間
作者簡介
王朋波，清華大學力學博士，汽車結構CAE分析專家。重慶市科協成員、《計算機輔助工程》期刊審稿人、交通運輸部項目評審專家。專業領域為整車疲勞耐久/NVH/碰撞安全性能開發與仿真計算，車體結構優化與輕量化，CAE分析流程自動化等。
注
本文相當一部分內容來自作者好朋友趙森博士當年的悉心指點。
本文所用的大部分圖片來自作者好朋友盧元甲的大作《純電動汽車平臺與架構》。
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展開 
結構設計CAE分析的幾個概念
結構設計CAE分析的幾個概念
計算機輔助工程，簡稱CAE，對于經驗豐富的CAE分析工程師或學者而言，結合功能強大的CAE程序，大多數結構的數值模擬分析基本上可以做到仿真的地步?，F代大型CAE分析程序，如ABAQUS，ADINA，ANSYS，MARC等，無論在荷載條件的輸入、邊界條件的設置以及非線性算法的準確性上基本已經做到精確模擬的程度，甚至連很多參數性試驗都已經可以通過計算機模擬來代替。
近幾年，大型CAE分析程序均已滲入傳統設計行業，提高了工程設計水平，但純粹的有限元分析并不等同于結構設計，將結構設計的一些重要參數和概念引入通用分析過程，實現分析與設計的統一，才是使用通用程序進行工程分析的關鍵之處。本文旨在結合這些程序在工程設計中使用的一些經驗進行總結探討。
1 大型商用程序的一般技術特征
大型通用分析程序起源于20世紀70年代有限元分析方法的建立，在20世紀70年代末和80年代初，一批功能強大的有限元程序先后出現，如SAP，ALGOR.ANSYS，ADINA，MARC，ABAQUS等。程序吸納了固體力學領域最新的算法技術，將求解的固體力學問題通過離散的有限單元來近似模擬，使得由于復雜的邊界和構造帶來無法用函數求解的固體力學問題可以采用數值方法的手段獲得較為準確的模擬結果，這些程序為土木、機械、航空領域帶來了革命性的變化與推動。經過近40年的發展與完善，分析程序均已經具備完善的構架與功能，求解的問題也隨著理論算法的改進獲得更新與完善，求解的問題也已經由早期的單場問題擴展到多場問題。
國內較早引入CAE分析程序源于20世紀80年代初，主要集中在機械設計領域。20世紀90年代，這些程序逐步引入到土木工程行業，解決了很多傳統手段無法解決的結構分析問題，也創造了形式豐富的設計作品。
展開 材料頂刊《Materials Today》：一種新的納米晶合金設計和結構調控概念！
納米晶軟磁合金具有獨特的α-Fe（Si）和非晶基體的雙納米相鑲嵌結構，兼具高飽和磁化強度、優異的軟磁性能和低磁致伸縮系數，其應用是解決硅鋼電器的高損耗，非晶器件的高噪聲和大體積等問題的最佳方案，因而具有廣闊的應用空間。然而，為了構建均勻細密的納米晶結構，通常都需要添加大量的促進形核和抑制晶粒長大元素，這些非磁性元素的添加大大降低了磁化強度，提高了生產工藝要求，增加了原材料的成本。
近日，香港城市大學劉錦川院士、王安定研究員和新疆大學李強教授等人提出了一種新的納米晶合金設計和結構調控概念，即設計不含促進形核和抑制擴散元素的新型合金，通過在臨界冷卻速率下快淬預制高密度的形核點，并通過類金屬瞬態富集界面以細化晶粒，獲得了均勻細密的納米晶結構。作者通過巧妙設計，僅以4.6wt.%的常見類金屬元素（B、Si、P和C）組合添加，即達到了穩定快淬非晶相和納米晶間基體相的作用，調和了飽和磁感應強度與形成能力間矛盾的同時，大幅提高了合金的高磁感納米晶合金工業化的可行性，還降低了合金的成本。
這種獨特的設計相當于將同等鐵含量的硅鋼納米晶化，去除晶界對軟磁性能的惡劣影響，并保留了α-Fe相的超高飽和磁感應強度。新概念設計的Fe85.5B10Si2P2C0.5合金的Bs 達1.87T，接近硅鋼，其均勻、細密的非晶-納米晶雙相結構使其具有優異的軟磁性能。這種異質結構和輕合金化策略為下一代磁性材料的開發提供了思路和借鑒。相關研究成果以題為Design of Fe-based nanocrystalline alloys with superior magnetization and Manufacturability發表在材料學頂級期刊Materials Today上，IF=26.416。
圖1 合金設計思路。
展開 鋼結構設計中平面內和平面外的概念
鋼結構設計中，計算壓彎構件的穩定性時，通常會遇到平面內、平面外的概念。只有弄清楚這兩個概念，才會理解桿件的計算長度，及如何在平面內和平面外設置支撐，避免結構失穩。
對于壓彎構件穩定問題，所謂的平面是指彎矩作用所在的平面。習慣上我們將屏幕看作構件所在的平面，也就是彎矩所在的YOZ平面，叫作彎矩作用的平面內；垂直彎矩所在平面的XOY平面，叫作彎矩作用的平面外。發生在屏幕內（YOZ平面）的彎曲變形，就是平面內失穩。發生在垂直屏幕（XOY平面）的彎曲變形，就是平面外失穩。
如圖中，梁截面位于XOY面，Z軸沿長度方向。在Mx作用下，彎矩作用平面為YOZ平面，即圖中蘭色平面；此時如果變形是沿X軸方向的左右變形，則為平面外的變形；上下變形為平面內的變形。在My作用下，彎矩作用平面為水平平面XOZ面，此時如果變形是沿Y軸方向的上下變形，則為平面外變形；左右變形為平面內變形。
還有一點需要注意的是，彎矩的方向和彎矩的平面是兩個不同的概念。用與平面垂直的向量來表示平面，如Mx，根據右手法則，其方向是向左，而其作用面為豎直的YOZ平面。
用一個更為形象的例子，假設你是一根梁，你躺下、起來，是平面內，而翻身打滾就是平面外。
展開 結構設計CAE分析的幾個概念
這些技術特征直接反映了CAE程序的求解能力，要充分駕馭這些技術特征，對工程師無疑是一個艱巨的挑戰，需要使用者具備寬泛的知識結構與深入的專業概念。下面，就CAE程序與土木工程結合使用的幾個重要環節，對一些關鍵概念進行論述。
