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    影响F形交通标志柱优化设计的因素有哪些

    交通标志牌是引导道路使用者遵守交通秩序,使道路交通安全、高效、畅通的基础设施。为了使交通标志不同环境下满足使用要求和保持耐久性,设计中应充分考虑其荷载作用下的机械强度、刚度、稳定性和钢材消耗。
    近年来,国内外许多学者对此做了相应的研究。利用Mathcad软件,大大简化了交通标志结构设计中的人工计算工作,便于设计人员掌握整个计算过程。需要修改模板时,可以快速修改模板,提高设计效率。对交通标志结构进行了足尺模型试验。
    等采用有限元法对交通标志结构进行了优化,同时对交通标志结构设计中的常规有限元法和精确有限元法进行了对比分析,研究结果可为变截面交通标志结构的设计提供依据。
    1基础理论
    罚函数又称罚函数,是一种约束函数。其基本思想是目标函数后加入惩罚项进行约束,并对约束条件进行加权,同时结合初始目标函数构造1,该过程也可应用于无约束极值问题。假设目标函数是
    y=f(x1,x2,…),xn)=f(x),(1)
    ,其中y是最小值。
    等式约束条件下,有
    G J(x)=0(J=1,2(2)
    找到一个新的目标函数,然后p(x,λK)=f(x)+λK∑
    MJ=1g J(x(])2。(3)
    随着λK的增大,约束条件越来越具有强制性。当λk=0时,可以忽略约束条件;当λk→∞时,函数p的最小值朝向Y的最小值;当条件不满足时,λk越大,罚函数p的值越大。当约束条件不能满足时,函数p覆盖目标函数的罚函数,即
    λK∑Mi=1[GI(x)]=0,x∈d>0,x{d.(4)
    min f(x),x∈r n,s.t.g j(x)≥0,i=1,2,…,M.(5)
    定义罚函数为
    p(x,λK)=f(x)+λK∑Mi=1[min(0,GI(x))]2,(6)
    其中λK是一个足够大的正数,
    λK∑Mi=1[min(0,GI(x))]
    2=0,x∈d>0,x{d,(7)
    MINP(x,λK)(8)
    本文采用罚函数法作为优化设计的基本理论,近年来,有限元法得到了迅速的发展和广泛的应用,提出了一种新的优化设计方法,即有限元软件分析中的截面形状优化技术。通过设计阶段提供概念设计,可以得到整体模型和个体模型,既可以减少材料的应用,又可以满足刚度和强度的要求。
    2算例
    2.1工程情况
    本文选取道路工程中常用的方形截面F形交通标志结构作为研究对象,根据梁尺寸的不同可分为三种类型,如表1所示。
    交通标志结构材料为Q235,其抗弯、抗压、抗拉强度设计值和标准屈服应力为215,抗剪强度设计值为125MPa,弹性模量为206GPa,抗剪模量为79GPa。标牌采用铝合金材料,单位面积质量8.037kg/m2。标志牌尺寸为4000mm×2000mm(长×宽),根据悬臂标志结构标志牌的要求,梁端相对水平位移不应大于其长度的1/75,总水平位移不应大于基础顶部的高度的1/50。
    2.2计算模型
    F保留钢结构主要力学性能的前提下,为了避免问题的复杂性,有必要对研究模型进行简化:
    1)计算模型中忽略了法兰和螺栓连接;(2)假定上部结构与计算模型基础的连接方式为刚性连接,即柱的根部六个自由度都受到约束。
    2.3基本假设
    1)荷载作用:只考虑重力荷载和风荷载,忽略地震作用、车辆荷载、车辆诱导阵风等动力荷载。
    2)法兰连接:由于法兰的作用主要体现运输和安装上,对结构力学性能的影响相对较小,因此计算模型中将忽略法兰和螺栓的连接。
    3)标志板荷载传递:本文计算模型假定标志板上的重力荷载和风荷载等效于梁上的线荷载。
    4)荷载组合:本文只考虑最不利的荷载组合,即风荷载垂直于标志板面时的风荷载和重力荷载的组合。
    3有限元分析
    本文的优化设计问题实际上是结构抗弯抗剪强度、结构变形和结构稳定的条件下,使交通标志结构最轻的问题。从优化设计变量、约束条件和目标函数三个方面进行了研究。此基础上,利用ANSYS建立了有限元模型。
    3.1建立模型
    3D选用线性有限应变元beam188,适合于分析细长至中细长梁结构。该单元基于Timoshenko梁理论,考虑了剪切变形的影响。首先定义空间中每个节点的大小和位置,然后输入荷载,最后设置单元长度,划分网格,生成有限元模型.
    3.2优化结果
    通过上述命令完成有限元模型、内力计算和参数提取,并用lgwrite命令编写优化分析文件。
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