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申请/专利权人：重庆大学

摘要：本发明公开了一种拓扑优化超大吨位拱铰结构，涉及桥梁结构工程技术领域。本发明与现有拱铰结构相比，解决了现有技术只能在拱肋面内实现转动而面外转动被约束造成结构应力增大；线接触传递荷载造成接触区域应力集中，易产生屈服变形；易被锈蚀等问题；通过上凹半球摆和下凸半球摆滑动接触以适应任意方向的旋转，有效释放拱肋在拱脚处引起的面内和面外耦合的弯矩效应，从而优化拱肋和拱铰结构自身的受力，提高结构安全度；采用球面接触代替常规销轴式拱铰结构的线接触，有效减小接触应力避免应力集中，使拱铰结构自身受力更合理；还基于多重密封、防锈、防尘等措施使拱铰结构能够适应各类使用环境，具有优良的耐久性和免维护性，延长结构寿命。

主权项：1.一种拓扑优化超大吨位拱铰结构的拓扑优化方法，其特征在于，所述拱铰结构包括：从上至下依次设置在拱肋（7）与拱座（6）间的上凹半球摆（1）、下凸半球摆（2）和拱铰垫石（5）；所述上凹半球摆（1）和下凸半球摆（2）通过一对相互匹配的朝上设置的环状球形面相互滑动接触，其中，在拱铰结构转动限制范围内，上凹半球摆（1）的环状球形滑动面始终覆盖在下凸半球摆（2）的环状球形滑动面上，并始终处于紧密贴合的接触受压状态；所述上凹半球摆（1）的顶部设有环形凸台，环形凸台通过环槽铆钉（13）与上方的拱肋（7）连接，拱肋（7）的垫板与所述环形凸台间设置有钢填板（14），以限制拱肋（7）与上凹半球摆（1）间发生横向滑移；所述下凸半球摆（2）的底部通过地脚螺栓（3）与拱铰垫石（5）连接，下凸半球摆（2）与拱铰垫石（5）的中间还设置有一层环形钢垫板（4），拱铰垫石（5）设置于拱座（6）之上并通过混凝土整体浇筑形成一体；所述上凹半球摆（1）的顶板设置有送风管道（11），向拱铰结构内腔送入由除湿系统产生的干燥空气，所述顶板上设置有若干个出气孔，以确保上凹半球摆（1）和下凸半球摆（2）之间的内部空间相对湿度始终低于上凹半球摆（1）和下凸半球摆（2）采用的钢材锈蚀阈值；所述方法包括如下步骤：S1：根据主拱肋（7）端部的外轮廓截面、拱铰结构所承受的荷载确定上凹半球摆（1）和下凸半球摆（2）的初始尺寸，再建立用于初始优化的有限元模型；S2：以目标体积分数为约束条件，结构最小柔度为目标函数，建立拓扑优化数据模型： 其中，目标函数为结构的整体应变能；为节点位移列阵向量；为向量的转置；为整体刚度矩阵；为作用在结构上的载荷列阵向量；为初始优化的有限元模型划分的实体单元总数，二进制的变量向量为各个单元相对密度的向量，表示第个单元设计变量的取值；表示单元取值的最小值；为结构的总体积；为单个单元的体积；S4：设置拱铰结构的设计域、非设计域、荷载和约束边界；S5：采用双向渐进结构优化法进行优化，以目标函数的导数为基础计算第个单元灵敏度： 其中，为单元刚度矩阵；为第个单元的节点位移矢量；为惩罚因子；S6：在每次有限元分析迭代过程中均使用如下的单元灵敏度方法进行过滤： 其中，是第个单元的滤波灵敏度数；是单元和的加权系数；是单元和的中心点之间的距离；是第个单元灵敏度数；是子域中单元总数；S7：将上一次迭代的灵敏度与当前代的单元灵敏度加权平均，加权平均结果作为当前代的灵敏度参与拓扑优化过程，以确定当前代优化中删除或增加的单元，其中灵敏度更新方式为： 其中，为第个单元更新的灵敏度；为第次迭代的灵敏度；为第次迭代的灵敏度；为迭代次数；S8：从拓扑优化开始，通过转换单元状态并进行有限元迭代计算的方式减小结构体积： 其中，为下一迭代的目标体积，为当前代的目标体积，为进化率；为单元当前体积；S9：基于最优准则进行单元的更新，将S2~S8中的公式进行编程以进行结构柔度的最小化；根据单元灵敏度指导单元的增减，对灵敏度数值按从大到小进行排序并确定其单元优化阈值；将灵敏度低于目标体积分数和目标灵敏度的单元过滤，通过单元的删减和保持目标体积分数来控制优化结果收敛得到优化解；S10：根据所得到的初始最优拓扑模型，结合铸造和加工工艺进行调整，再将得到的优化结果进行有限元分析校核，检验结构应力和变形是否满足要求得到优化的拱铰结构。

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百度查询： 重庆大学 一种拓扑优化超大吨位拱铰结构的拓扑优化方法