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F型交通标志杆优化设计研究

浏览:62 发表时间:2020-07-23 16:56:56

       F型交通标志杆作为交通标志结构的一种形式,被广泛应用在道路交通工程中。目前,国内对F型交通标志杆的设计生产,因设计理论不够完善,而不能够充分发挥材料的性能。针对此问题,提出一种惩罚函数理论结ANSYS的设计优化思想,并选取4种不同型号的F型交通标志杆作为优化研究对象。研究结果表明:F型交通标志杆的应力控制截面位于横梁根部与立柱的根部,变形控制截面位于橫梁端部与立柱柱顶;在优化的过程中,横梁与立柱截面形式逐渐趋于变截面,结构受力更加均匀;相对于方形截面,阕形截面的F型交通标志杆优化的空间更大。
在道路交通工程中,交通标志作为一项必不可少的基础设施而被广泛使用。在结构设计时,其应满足荷载作用下的应力、应变及稳定性要求,同时考虑结构的用钢量。对L型变截面的交通标志杆的理论计算方法进行了推导,并根据有限元对比分析结果,验算了理论的正确性;基于不同设计规范和不同设计计算方法对交通标志结构设计中的风荷载取值进行对比分析,并对交通标志结构风荷载标准值计算方法的规定提出建议;对一种新型承插式F型交通标志结构进行足尺的模型试验,获得其在风载作用下的强度与刚度指标,并得出在刚度和应力无较大差别的情况下,交通标志立柱采用变截面形式相比原结构可减少用钢量。
       目前,由于我国各地区气候及地理环境差异较大,因此,尚未建立一个统一的交通标志设计标准,各地区多依据经验设计,设计依据的相关规范也不尽相同。本文从构件尺寸、截面形式及截面变化等方面对F型交通标志结构进行优化设计,充分利用材料的力学性能,提高经济效益。同时,研究成果可为变截面交通标志结构的设计提供依据。
       惩罚函数法的基本思想是通过在目标函数之后增加一个惩罚项用以约束,将约束条件进行加权处理,并结合目标函数构造成一个新的目标函数,将约束优化问题转化为若干无约束优化问题。同时,这个过程也适用于没有约束极值寻求***点的极值问题。随着λ的增加,说明约束条件的强制性也逐渐增大,当λ=0时,约束条件可以被忽略;λ→∞时,函数P极小值朝向y极小值。当条件达不到标准时,λ越大,惩罚函数P的值也越大,当约束条件不能被满足时,函数P涵盖了目标函数所受到的惩罚,即在不等式约束条件下,定义惩罚函数为其中,λ为一个充分大的正数。
       运用 ANSYS Mechanical APDI的一阶优化方法,通过加入惩罚函数将约束的优化问题转化为非约束的优化问题,采用因变量对设计变量的一阶偏导数进行梯度计算并确定搜索方向,且基于目标函数对设计变量的敏感程度,可使搜索趋向局部的***解。采用此方法进行优化设计时,主要是对一组已选择的设计变量a1,a2,…,aN,确定其取值,使得以这些设计变量为自变量的多元目标函数f f(a1,a2……,aN)在满足一定的约束条件下能够取得最小值。约束条件主要包含设计变量取值的上下限制条件及其他条件。而本文的研究对象为等截面F型交通标志杆,优化设计的内容包括截面尺寸和截面形式,其中,截面尺寸包括圆管截面的外径、方管截面的外径(即方管截面外边缘内切圆直径)及圆管与方管的厚度。

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