序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇結構優(yōu)化方法范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

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2手臂結構優(yōu)化變量確定

如何在可優(yōu)化變量中找到對固有頻率影響最大的設計變量通常需要進行靈敏度分析。當優(yōu)化參數以一很小值變化時，將此時固有頻率的變化量作為該結構參數對固有頻率的靈敏度。通常固有頻率對結構設計參數的靈敏度可由式(4)表示式(4)的前提條件為設計變量bj的修改量必須很小。而在實際應用中，對不同設計變量改變同樣數值時的難易程度并不相同，而對優(yōu)化變量改變同樣百分比的數值的難易程度基本一致。例如硅片傳輸機器人柔性關節(jié)剛度數值相對較大，而手臂質量較小，如果同樣采取0.1為改變量時，剛度修改比質量修改更容易。因此，本文提出固有頻率權值的概念，并以權值作為優(yōu)化參數的選擇依據。2.1權值概念在結構優(yōu)化設計中，固有頻率一般為多個優(yōu)化設計變量的隱函數，可將固有頻率按式(6)進行展開，其中偏導數項即為固有頻率的靈敏度，而權值向量則表示所有變量對固有頻率數值“貢獻”的比例。優(yōu)化變量的權值越大說明該變量對固有頻率的影響越大。2.2優(yōu)化參數確定根據上述理論，分別對硅片傳輸機器人手臂的優(yōu)化參數進行靈敏度分析與權值分析。結構參數對一階固有頻率的靈敏度分析結果如圖5所示，結構參數對一階固有頻率的權值分析結果如圖6所示；結構參數對二階固有頻率的靈敏度分析結果如圖7所示，結構參數對二階固有頻率的權值分析結果如圖8所示。從仿真結果中可以看出：當采用靈敏度作為選擇依據時，關節(jié)處的等效慣量靈敏度最高，而其余參數均較小，當采用權值作為選擇依據時，手臂質量、桿長以及柔性環(huán)節(jié)剛度對固有頻率影響較大，顯然采取權值作為判斷依據更符合實際情況。其中權值為正表示參數增大時固有頻率提升，權值為負表示參數減小時固有頻率提升。分析結果表明：對一階固有頻率的權值較大的變量為：腕關節(jié)集中質量、末端手臂質量、小臂與末端手長度以及同步帶的剛度；對二階固有頻率的權值較大的變量為：腕關節(jié)質量、小臂質量、末端手臂質量、小臂與末端手長度以及同步帶剛度。本文只重點考慮質量的優(yōu)化，且腕關節(jié)集中質量主要為軸承等標準件，無法進行優(yōu)化。因此，最終的優(yōu)化變量確定為：小臂質量與末端手臂質量。同時注意到大臂的質量對一階與二階固有頻率均無影響，必要時可以考慮增加大臂的質量來增加豎直方向上的剛度。

3手臂結構優(yōu)化設計

根據上述分析結果，最終選取硅片傳輸機器人小臂質量與末端手臂的質量作為優(yōu)化參數，減小質量參數有助于固有頻率的提高。然而大幅度的減小手臂的質量必然造成手臂在豎直方向上的剛度降低，從而使懸臂結構在豎直方向上的靜態(tài)變形增大以及在豎直方向上的振動的加劇。因此在減小手臂質量的同時，需要考慮對豎直方向上變形的影響。3.1優(yōu)化方法及約束方程推導將硅片傳輸機器人小臂與末端臂簡化為圖9所示的等截面空心梁。其中H與W為空間尺寸約束條件，通常為常數；h1、h2、h3為手臂厚度變量；L為手臂長度。OYZ為截面坐標系，YC為截面彎曲中性軸。硅片傳輸機器人小臂與末端臂的受力均可等效為圖10所示的形式。圖10中p為手臂自身重力引起的均布載荷，Fe為等效力，Me為等效轉矩。則手臂末端的撓度、由于硅片傳輸機器人手臂為串聯結構，故式(8)中的等效力與等效力矩均參數均與該手臂所承載的后端的手臂的質量以及長度參數有關。因此，在進行硅片傳輸機器人手臂結構優(yōu)化設計時需要從末端手臂開始設計，隨后再設計小臂。3.2末端手臂優(yōu)化設計在硅片傳輸機器人末端手臂設計時，末端手臂所承受的等效力與等效轉矩由末端手與負載的參數決定。通常末端手與負載的參數為常數，且末端手等效載荷以及尺寸約束參數數值如表2所示。仿真結果表明：末端總變形隨末端手臂上壁厚度的增加而增加，但當上壁厚度大于2mm后末端總變形基本不變；側壁的厚度對末端總變形的影響較小，基本可以忽略；末端總變形隨著末端手臂下蓋厚度增加而增加，但當下蓋厚度大于1mm之后，總變形增加的較為緩慢。因此，末端手臂厚度尺寸最終確定為：上壁厚度2mm、側壁厚度1.5mm、下蓋厚度1.5mm。3.3小臂結構優(yōu)化設計末端手臂優(yōu)化完成后，小臂的等效力與等效轉矩參數即可以確定。小臂受力及約束尺寸參數數值如表3所示。仿真結果表明：末端總變形隨小臂上壁厚度的增加而增加，但當上壁厚度大于2mm后末端總變形基本不變；側壁的厚度對末端總變形的影響較小，基本可以忽略；末端總變形隨著小臂下蓋厚度增加而增加，但當下蓋厚度大于1mm之后，總變形增加的較為緩慢。因此，小臂厚度尺寸最終確定為：上壁厚度2.5mm、側壁厚度2mm、下蓋厚度1.5mm。

4優(yōu)化前后性能及參數對比

優(yōu)化前后的小臂與末端手臂的三維模型如圖17所示(手臂的下端蓋未顯示)。優(yōu)化前后手臂質量以及硅片傳輸機器人手臂系統(tǒng)的固有頻率數值對比關系如表4所示優(yōu)化前后硅片傳輸機器人手臂系統(tǒng)由懸臂引起的豎直方向上的靜變形、靜應力以及豎直方向上的振動頻率如圖18～23所示。由表5與表6可以看出：優(yōu)化前后末端手臂質量降低了50%，小臂質量降低了18.8%；一階固有頻率平均值與二階固有頻率平均值均提高了10%；豎直方向上最大靜態(tài)變形量降低了52.3%；系統(tǒng)最大應力降低了58.3%；豎直方向上的振動頻率提高了45.2%。

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（2）SINR：干擾高，怎么定位？

（3）覆蓋：覆蓋弱、重疊過高，原因在哪？

（4）業(yè)務：業(yè)務怎么分布、高業(yè)務在哪？

通過LTE網絡結構分析優(yōu)化平臺（ASOS）軟件的算法研究和軟件開發(fā)，使得網絡結構分析優(yōu)化體系化且流程化。ASOS可以對LTE網絡實現小區(qū)級的結構分析，對弱覆蓋、重疊覆蓋、過覆蓋、下行SINR、上行SINR都可以實現小區(qū)級的統(tǒng)計分析，并可以實現弱覆蓋及上下行SINR的采樣點級的定位，快速查找問題區(qū)域。

1 LTE低速率原因分析方法

下載速率由單雙流和MCS決定，雙流和MCS由CQI決定，CQI由SINR決定，那決定SINR的因素就是網絡結構優(yōu)化分析的重點。

LTE低速率問題具體的表征有2個方面，一是每RB的傳輸效率低，二是PRB的調度率低。

2 LTE弱覆蓋問題分析方法

弱覆蓋發(fā)生的原因主要分為站距過大、基站未開通、移動參數配置問題、漏配鄰小區(qū)、室分信號外泄。

在LTE網絡結構分析平臺ASOS中，采用MRO數據對弱覆蓋進行定位分析，發(fā)現弱覆蓋在小區(qū)中的具置，使得弱覆蓋問題的解決更加有目標和針對性。

3 LTE干擾問題分析方法

下行SINR是有效信號功率和干擾信號以及噪聲功率的比值，該指標能有效反映當前網絡的干擾情況。SINR決定下載速率，兩者呈線性關系。

導致低SINR的原因除了弱覆蓋之外，還有重疊覆蓋、切換不及時、漏配鄰小區(qū)、室分外泄、過覆蓋等。一般情況下弱覆蓋的影響最大，可細分為缺站、基站未開通等問題。外部干擾也會導致SINR的嚴重惡化。

對于下行SINR，在OMC網絡性能指標中并沒有輸出，LTE網絡結構分析平臺ASOS根據專利算法，實現全網絡的下行SINR的計算和輸出，對網絡結構優(yōu)化將會起到巨大推動作用。

4 LTE重疊覆蓋分析方法

不同小區(qū)間的高重疊覆蓋會引起干擾，干擾的程度會在SINR中體現，進而影響下載速率。將重疊覆蓋和SINR以及下載速率進行關聯分析，得出重疊覆蓋對網絡結構的影響程度。

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隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展，房屋建筑業(yè)也取得了很大的成就。房屋建筑離不開基本的房屋結構設計，一個好的房屋結構設計不僅可以減少建設單位的建設成本，同時還可以提升使用者的切身利益。在市場競爭異常激烈的今天，優(yōu)化房屋建筑結構才能有效的控制建設成本，才能給建設單位帶來良好的品牌效應，才能順應經濟發(fā)展潮流。因此，在房屋建筑中使用建筑結構優(yōu)化方法有著重要的意義。

一、建筑結構優(yōu)化設計方法概述

傳統(tǒng)的房屋建筑已經不能滿足新時期人們對于居住條件的要求，因此，在房屋建筑中運用建筑結構優(yōu)化設計將房屋的實用性、安全性、美觀性相結合是如今房屋建設企業(yè)的必由之路。在新時期的房屋結構設計中是追求適用、經濟、安全、美觀以及便于施工五種效果的綜合。而這五種要求又相互影響甚至會出現相互矛盾的問題，這就需要運用到房屋建筑結構優(yōu)化設計方法來最大程度的提升有限空間，有限資源。在綜合五種要求的情況下，選取最優(yōu)方案，實現經濟化，實用性，適用性的良好目標。

二、建筑結構優(yōu)化設計的意義

1、提高房屋建設企業(yè)的經濟效益。經濟的持續(xù)發(fā)展使得人們的生活水平也越來越高，土地的價格也隨之上漲，這也勢必影響房屋建設企業(yè)的成本上漲。市場競爭日益激烈，如何在穩(wěn)定成本的基礎上建造出有美觀耐用的房屋也是建設企業(yè)值得思考的重大問題。因此，這就需要房屋建筑結構的改革，優(yōu)化建筑結構設計，有效的提高房間的空間利用率和資源的使用率。在建設過程中對房屋結構進行優(yōu)化改革，精簡建造工序，減少資源浪費，有效的降低施工過程中的難度，這樣不僅可以提高企業(yè)的經濟效益，有效的控制成本，同時還能滿足新時期人們對于房屋的需求。

2、提高房屋建筑結構的實用性。近年來，由于我國對于房產需求的劇增，房屋建筑行業(yè)也得到了快速的發(fā)展，房屋建筑結構也越來越有特色。在保證美觀，安全，經濟的同時，我們不能忽略了一個最基本的要求，就是實用性。新時期人們對住房要求越來越高，好的房屋格局，實用便利的住房條件是人們選擇房屋的基本條件，在有限的空間和有限的資源下，將房屋的實用性得到最大發(fā)揮，這就需要房屋結構優(yōu)化設計的辦法進行改良。因此，房屋結構的優(yōu)化設計將人們對于房屋安全、美觀、實用等要求結合起來，不斷的房屋結構進行優(yōu)化與改良，滿足人們的各項需求。

三、建筑結構設計的標準與原則

所謂房屋建筑設計就是對房屋建筑過程規(guī)劃、設想的過程通過視覺感官的方式描繪出來。設計的優(yōu)劣直接導致房屋質量的優(yōu)劣，因此，在設計過程中就要求房屋建設企業(yè)重視房屋質量，優(yōu)化房屋結構。在設計過程中考量多方面因素，除了對房屋本身的材質結構進行考量之外，還要結合當地的具體環(huán)境，地質要求等要素進行考慮。綜合各方面因素，對房屋建設做出科學合理的設計。

在設計過程中我們要遵守安全性、經濟性、合理性的原則。安全是房屋設計的重中之重，也是人們在住房選擇上最注重的要求，因此在住房結構的總體設計下也要注重各細節(jié)方面的安全性設計。同時，在住房設計上也要科學合理，房屋結構設計中各環(huán)節(jié)是相互影響相互制約的，只有保證房屋建筑的科學性和合理性，才能提高房屋建設企業(yè)的經濟效益，才能保證房屋的結構優(yōu)化。

四、房屋建筑結構優(yōu)化的應用措施

1、選擇科學合理的結構形式和設計方案

房屋建造初期選擇好的設計方案直接關系到企業(yè)的總投資成本，房屋的建筑進程以及房屋建成質量等重要問題，所以說，好的開頭是成功的一半，由此可看出，對于前期的方案選擇尤為重要。在設計時，融入房屋結構優(yōu)化設計，就可以針對不同的房屋類型，建筑類別作出相應的合理的結構設計和調整。相關設計師通過房屋結構優(yōu)化設計，在設計初期對建筑結構進行優(yōu)化，減少建造過程中的困難度，有效的降低建筑成本和施工損耗，因此，建房初期選擇合理的設計方案在整個建房過程中有著重要的作用。

2、設計最優(yōu)的計算進程

建筑房屋的設計過程是一項復雜的計算過程，在整個過程中涉及很多方面的系統(tǒng)程序。因此就要求設計師在進行計算的過程中，必須將附加約束條件轉換成不帶約束的條件，盡量提高計算過程的精準度。這樣一方面利于房屋建設企業(yè)在建設過程中的過程精簡，有效的降低了建造過程中的難度，另一方面，精準的計算過程也有利于房屋的建設和房屋的質量。同時，設計師在設計計算過程中也要充分考量現場施工的實際情況，根據當地的實際環(huán)境和建筑特點，制定出符合當地情況的建筑方案，因此，要求相關設計人員盡量選擇程序運轉效率高，功能完善的計算程序，一方面提高自身的工作效率，另一方面確保整個設計計算過程的進準度。

3、綜合分析計算結果，積極應用信息優(yōu)化技術

房屋結構設計師一項漫長且復雜的過程，這就要求相關設計人員能夠與時俱進，通過現代網絡化技術的支持，運用網絡技術，提高數據整理的自動化程度，有效的減少設計過程中的人力和物力。而且通過網絡技術對于數據的準確分析，可以有效的節(jié)約建設過程的成本，同時為房屋結構的進一步優(yōu)化提供了依據。利用信息化技術不僅可以有效的為企業(yè)節(jié)省人力和物力，還能保障設計過程的進度和質量。

4、在遵循科學的基礎上優(yōu)化房屋結構設計

房屋結構的優(yōu)化設計應建立在遵循科學的基礎上。在房屋結構設計中是追求適用、經濟、安全、美觀以及便于施工等要求是建設企業(yè)的重要任務。因此，為了將這些要求在房屋建筑是得到最大的發(fā)揮，就要求相關工作者不僅要具備非常豐富的技術知識理論，還要具備豐富的施工實踐經驗，在理論結合實踐的經驗中，對房屋設計及施工中的細節(jié)進行把握和裁決，確保房屋結構優(yōu)化設計的實施，同時相關工作者也要掌握國家的質量標準和相關規(guī)定，嚴格按照國家標準進行工作。

結語

通過以上論述可知，房屋結構的優(yōu)化設計方法在房屋建設中有著重要的作用，相關設計人員在確保建筑設施功能完善的同時，通過房屋結構的優(yōu)化設計方法也可有效的降低建設企業(yè)的生產成本和精簡建設過程的難度。由此可看出，房屋結構優(yōu)化設計不僅可以有效的提高建設企業(yè)的經濟效益，還能為居民帶來更多房屋戶型選擇。所以，在房屋建造過程中應該廣泛的應用到房屋結構優(yōu)化設計的方法，同時大膽創(chuàng)新，探索出更為優(yōu)異的房屋結構設計方案。

參考文獻：

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中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A

對于一個項目，工程結構總體的優(yōu)化設計主要是針對圍護結構、屋蓋系統(tǒng)、結構體系、基礎形式以及結構細部等進行相應的設計方案的優(yōu)化設計。在設計的時候還必須考慮到相應的布置、選型、造價以及受力等方面的問題，然后根據工程的實際情況并結合建筑物的經濟性要求，對建筑結構進行相應的優(yōu)化設計。 為了適應時展的要求，建筑的結構形式必須不斷的進行創(chuàng)新。對于結構設計師來說，要在確保建筑結構具有一定的安全保證的基礎上設計更合理、更經濟、更能體現創(chuàng)新的結構形式。

1 結構設計優(yōu)化技術的現實意義

對建筑結構的設計進行必要的優(yōu)化，在對于房屋結構相關的設計中的應用意義重大，不僅能夠滿足了建筑的實用與美觀，而且還可以有效地對工程造價進行控制。對于建筑商來說，其當然希望用最少的投資，而獲得最大的收益，然而又必須對建筑結構的科學性、可靠性以及安全性做出保證，這必然要求對建筑結構進行優(yōu)化設計。

結構設計優(yōu)化和傳統(tǒng)房屋結構設計進行比較我們可以發(fā)現：運用設計優(yōu)化的技術能夠降低整個建筑工程造價10%～40％。結構設計優(yōu)化技術能夠使得建筑結構內部的每個單元都得到最佳的協(xié)調，并可以對材料的性能進行最合理的利用。這樣不僅能夠保證相關規(guī)定的安全系數，還能夠實現建筑結構設計的經濟性與實用性。

2 結構設計優(yōu)化技術在建筑結構設計中的步驟

2.1 建立結構優(yōu)化的模型

在我們對房屋結構整體進行必要的優(yōu)化設計時候，可以分成三步進行建筑結構的優(yōu)化設計。下面將對每一步驟進行詳細的介紹：

2.1.1 要對設計變量進行合理的選擇

通常在對設計變量進行選擇時，我們把對建筑結構影響的主要參數作為設計變量。如目標控制的相關參數（損失的期望C2 和結構的造價C1）和約束控制相關參數（結構的可靠度PS）等；然而還有一些影響不是太大，其變化范圍也不是很大或者由局部性以及結構的相關要求就能夠滿足相應的設計要求的一些參數，我們可以用預定參數來表示，這樣能夠使得我們的設計量、計算量以及編制程序的工作量均大大減小。

2.1.2 對目標函數進行確定

在進行結構設計優(yōu)化的時候，我們還必須尋找一組能夠滿足相關的預定條件的截面相應的幾何尺寸、鋼筋面積以及相應的失效概率的函數，使得工程造價最少。 針對目標函數進行的優(yōu)化設計都有條件和相對的，即為“最滿意解”而不是最優(yōu)解。

2.1.3 對約束條件進行確定

對于房屋的結構的設計優(yōu)化來說，必須在確保結構整體可靠的基礎上，對優(yōu)化設計相關的約束條件進行相應的確定，設計優(yōu)化的約束條件主要包括裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、構件單元約束、應力約束、結構體系約束、從可靠指標約束到確定性約束條件以及從正常使用極限狀態(tài)下的彈性約束到最終極限狀態(tài)的彈塑性約束等約束條件。在進行結構設計的時候，我們必須對目標約束條件與實際的約束條件進行相應的比較與分析，確保每個約束條件都必須滿足相應的要求，化繁為簡，抓大放小，以實現最佳的設計。

2.2 對優(yōu)化設計的計算方案進行設定

根據可靠度進行的房屋結構的優(yōu)化設計具有多約束且非線性的優(yōu)化問題以及復雜的多變量，在進行相應的分析計算中，一般把有約束的優(yōu)化問題轉換成無約束優(yōu)化問題的求解。常用的優(yōu)化設計的計算方法有拉格朗日乘子法、復合形法、準則法以及Powell（鮑威爾） 法等基于不同理論準側的計算方法。

2.3 進行程序的相關設計

針對具體的工程設計，我們可以根據不同的設計要求選擇有限元分析軟件或者設計配筋軟件，可以選擇針對具體構件進行有限元分析或者是針對整體結構實際工程計算分析。針對復雜的超高超限的工程可以進行專門的不同目標函數的優(yōu)化設計，具體可選用結構優(yōu)化設計系統(tǒng)MCADS。

2.3 結果分析

我們必須對相應的計算結果進行必要的分析比較，選擇出最佳的設計方案。在這個過程中，我們對出現的問題必須全方位、多角度的考慮。例如，鋼結構滿應力設計中病態(tài)桿的出現等。這一步驟在建筑結構設計優(yōu)化中尤其重要，合理的選擇設計方案，不僅能夠確保結構的美觀、安全性、合理性以及實用性，還能夠對施工中的資金的投入有著重大的影響。在結構設計優(yōu)化中只強調經濟性要求，而忽略技術要求，是不正確的；同樣只考慮技術要求，忽略經濟性要求，也是不合理的。我們必須在滿足現行規(guī)范的前提下，區(qū)分“應”和“宜”，對兩者進行合理的配置，才能達到相關要求。

3 結構設計優(yōu)化技術的實踐應用

當下，限額設計已經成為常態(tài)，建設商經常附加各種各樣的設計條件，對于這樣的項目我們可以從前期設計、整體設計、舊房改造以及抗震設計等方面采用結構設計優(yōu)化設計的方法來節(jié)約造價。下面對實踐應用中的問題進行簡單的說明：

3.1 結構設計優(yōu)化應注意前期參與

前期方案直接會影響到工程的造價，然而很多建筑物的設計往往忽略了這一點。項目立項后，結構師應該及時跟進，對建筑方案提出合理的指導意見，避免出現超限、超規(guī)范的情況，前期參與能夠讓我選擇合理的結構形式以及合理的設計方案，節(jié)約造價占50%以上。

3.2 概念設計結合細部結構設計優(yōu)化

在沒有具體數值量化的情況下，我們可以使用概念設計。例如，對地震的烈度進行設防時，由于它存在這不確定的因素，所以我們無法找到與實際相符合的計算式，所以在進行設計優(yōu)化的時候我們可以使用概念設計的方法，把相應的數值作為參考與輔助相關的依據。同時在設計過程中，相關結構設計人員必須合理并靈活的使用結構設計優(yōu)化的方法，從而達到最佳的效果。

在設計過程中必須對細部的結構進行相應的設計優(yōu)化，物盡其材。例如，豎向柱構件采用高強度混凝土能夠有效減少柱子截面，而對于水平構件來說就可以降低混凝土標號，這樣既可以達到受力要求，又可以節(jié)約成本。后期的優(yōu)化設計和細部結構精細化設計能節(jié)約一定的經濟成本。此階段通過優(yōu)化設計能節(jié)約造價10%以上。

3.3 下部地基基礎結構的設計優(yōu)化

基礎的設計尤為重要，基礎造價能占到結構成本的30%左右，在地基基礎的結構設計優(yōu)化中，我們必須選取合適的基礎方案，確定合理的持力層，盡量選擇天然地基，樁基能不用則不用，可以有效降低成本、節(jié)約工期。如果不可避免的采用樁基，需根據樁端持力層的厚度選擇合理的樁長，并根據土層情況確定是否采用后壓漿灌注樁；而對于管樁，同樣直徑可以考慮選用方樁，能夠提高20%的摩擦力。通過對多種設計方案進行必要的分析比較，然后選取最佳的設計方案。

4 結語

對于住宅建筑，目前限額設計已經成為常態(tài)，傳統(tǒng)的結構設計理論與方法已經無法滿足建設商的要求，在目前的設計中采用優(yōu)化設計已經成為無法回避的問題。通過選擇合理的結構體系以及基礎方案，充分利用材料強度，降低自重，活學活用規(guī)范做到精細化設計能夠節(jié)約可觀的工程造價，適應建設綠色可持續(xù)發(fā)展社會的要求。

參考文獻

[1]張炳華.土建結構優(yōu)化設計[M].上海：同濟大學出版社，2008：34-36.

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1 硅片傳輸機器人動態(tài)特性分析

手臂結構參數在固定頻率基礎上將會優(yōu)化靈敏度，根據權值特點選擇末端手臂質量作為優(yōu)化參數的重點。變量會隨著手臂厚度的調整約束結構尺寸以及手臂撓度，手臂末端發(fā)生的靜偏移將會構建基礎模型。手臂厚度在末端靜偏移發(fā)生的規(guī)律影響下使手臂尺寸進行優(yōu)化設計，結構經過調整之后需要對硅片傳輸機器人性能進行對比。這種方式能夠降低硅片傳輸機器人手臂結構固定頻率的發(fā)生，使末端手臂發(fā)生的靜偏移會得到控制，同時將會保證參數進行調整提升系統(tǒng)運行的振動頻率。硅片傳輸機器人柔性系統(tǒng)主要是通過多階固定頻率實現的模態(tài)化，但是這種模態(tài)化在固有頻率下將會發(fā)生軌跡移動，并且影響到末端手臂運行的精確度。手臂結構優(yōu)化重點放置在對末端手臂的精確度調整上，同時根據固定頻率階數積極的構建模態(tài)。固定頻率是系統(tǒng)固有的屬性，對于硅片傳輸機器人手臂運行的情況進行模態(tài)分析。主要表現為

M（q）+q+kq=0

根據對上述關系的分析，柔性系統(tǒng)在固有頻率中對于模態(tài)振型可以通過模態(tài)振型矢量獲取。根據上述等式變化硅片傳輸機器人手臂柔性關節(jié)系統(tǒng)質量將會發(fā)生變矩陣，在固定頻率系統(tǒng)中末端手臂發(fā)生的位置移動主要表現為動態(tài)特性。

硅片傳輸機器人固定頻率會隨著末端手段端點位置發(fā)生的變化而變化。根據末端位置遠點距離會模擬出相應的變化。動態(tài)系統(tǒng)在模態(tài)化關節(jié)發(fā)生的振幅比例中硅片傳輸機器人手臂結構會在末端運動軌跡的變化中發(fā)生直線運動，振動狀態(tài)也會在末端軌跡中造成一定的影響。在進行硅片傳輸機器人手臂結構優(yōu)化設計的時候要能夠充分的考慮振動狀態(tài)下的固定頻率發(fā)生的改變。這對于確定手臂結構優(yōu)化變量能夠發(fā)揮重要的作用，同時使結構靈敏度得到控制，參數頻率更加的固定。

2 手臂結構優(yōu)化變量

2.1 優(yōu)化參數

手臂結構參數的優(yōu)化情況需要保證一定的靈敏度，手臂結構參數在固定頻率基礎上將會優(yōu)化靈敏度，根據權值特點選擇末端手臂質量作為優(yōu)化參數的重點。變量會隨著手臂厚度的調整約束結構尺寸以及手臂撓度，手臂末端發(fā)生的靜偏移將會構建基礎模型。手臂厚度在末端靜偏移發(fā)生的規(guī)律影響下使手臂尺寸進行優(yōu)化設計，結構經過調整之后需要對硅片傳輸機器人性能進行對比。

2.2 手臂結構優(yōu)化設計

對于手臂結構優(yōu)化設計應該確定大臂、小臂以及末端手臂質量，這是獲取優(yōu)化參數的重點。在固定頻率上能夠根據質量變化的不同積極的調整參數變化特點，降低小臂剛度質量將會直接的導致手臂豎直剛度的下降。懸臂結構會在靜態(tài)變形中出現振動變化。

末端手臂的設計要根據承受的等效力變化進行負載參數的調整，將末端受負載參數設置為常數，并且利用荷載尺寸對參數數值進行約束。末端手臂會隨著壁厚增加變形越來越明顯，當壁厚增加到2mm左右的時候，這種末端變形影響較小，甚至可以忽略。但是當厚壁在1mm左右的時候，末端手臂變形較為緩慢。如圖1。

小臂受力約束參數數值也會隨著壁厚增加而增加，并且在2mm左右的時候變形不明顯，這時候對于末端手臂的影響較小。但是當厚度在1mm以上的時候，變形較為緩慢。如圖2。

3 硅片傳輸機器人手臂結構整體方案

手臂結構是硅片傳輸機器人核心部件，直接影響著定位精準度以及生產制造質量。手臂的傳輸情況需要末端執(zhí)行器沿著設置好的軌道進行伸縮運動，直線方向運動需要保證連桿系統(tǒng)精確直線引導。手臂結構剛性越強，負載能力也就越大。針對這種情況需要齒輪的咬合力相對較大，能夠保證手臂直線進行運動。實現齒輪能夠同步精確的運轉。硅片傳輸機器人手臂結構較為復雜，需要在一定的空間中進行結構優(yōu)化設計，并且要能夠在優(yōu)化的過程中固定不變，相應性的增加運轉重量，控制手臂剛性。手臂結構主要體現了硅片傳輸機器人的主要性能，大臂、小臂以及末端執(zhí)行器等都是硅片傳輸機器人的主要部件，能夠實現直線伸縮運動，以及在不同的模塊中自由進行傳輸硅片運行。

硅片傳輸機器人手臂是一種懸臂梁結構，在運動過程中會經常發(fā)生軌跡的改變。并且在突發(fā)的加速或者減速中都會產生相應的震蕩，因此要充分的考慮最小運動慣量，根據運行的實際狀況提升平穩(wěn)性。按照動力學要求，在滿足手臂強度剛度條件下降低運動量，特別要注意運轉軸質心的配置。選材上，可以在硅片傳輸機器人手臂上涂抹一層致密保護膜，這樣能夠更好的起到防腐蝕作用，并且不易發(fā)生氧化。手臂尺寸要按照運動空間的要求進行設計，選擇最優(yōu)最小的手臂尺寸，保證手臂剛度的同時降低運動慣量。手臂在外界壓力作用下不能夠發(fā)生變形，在位移情況下剛度會隨著變形的增加使剛度發(fā)生明顯的變化，合理的進行手臂力矩的調整降低手臂彎曲變形效果。

4 結束語

硅片傳輸機器人手臂結構優(yōu)化設計需要根據各手臂靜撓度進行確定，并且有手臂彎曲末端出現的豎直情況進行靜偏移約束，在剛性桿轉動下關節(jié)系統(tǒng)會隨著固定頻率發(fā)生柔性變化，這樣就能夠獲取到優(yōu)化設計的變化參數。根據硅片傳輸機器人結構參數調整頻率靈敏度，設置優(yōu)化變量，明確硅片傳輸機器人優(yōu)化不適應情況，提出固定的設計參數，在頻率權值的保障下調整依據準則，小臂與末端臂參數質量直接的反映硅片傳輸機器人的變量。手臂厚度變量對結構尺寸產生約束，根據末端發(fā)生的靜偏移豎直方向將會發(fā)生變化，側壁厚度影響相對較小。末端靜偏移會隨著厚度的變化逐漸的減小，但是當厚度增加到一定程度的時候，就不會出現末端靜偏移。

參考文獻

[1]劉延杰，吳明月，王剛，等.硅片傳輸機器人手臂結構優(yōu)化設計方法[J].機械工程學報，2014，5：28.

篇（6）

Optimization design of hydraulic press structure based on CAE

Abstract:The involue hydraulic press is built in SolidWorks―3D mechanic design software,then analyzes stress of underbeam by the finite element software ANSYS,so obtain the contour of bending stress distribution of underbeam.According to the countor of stress distribution,improve the structure of hydraulic press,so it canprovide the dependable basic for optimization of design of hydraulic press

Keywords: Finite element;SolidWorks;Entity modeling;Lower the cost

引言

整體框架式液壓機是利用液壓傳動技術進行壓力加工的一種鍛壓機械設備,在國民經濟的各行各業(yè)得到了日益廣泛的應用。液壓機機身結構組成鏈相對簡單,其布局形式一般為三梁四柱式,有鑄造和焊接兩種結構方式。液壓機主要功能是完成工件的壓制成型,這一過程中機身結構要承受較大的載荷,因此,液壓機整機結構布局要求符合整體力流最短原則和力流封閉原則。液壓機結構主要以筋板為主,造型簡單。整機及部件具有相似性,這種相似性是進行參數化設計分析的前提。就我國現在的生產狀況而言,液壓機結構設計采用的仍然是傳統(tǒng)材料力學簡化計算和經驗設計相結合的方法。雖然這種設計方法在以前經過實踐證明具有一定的可靠性,但存在著設計周期長,結構組建復雜等諸多的弊端,致使成本高,效益低,削弱了產品的競爭力。

本文利用了三維設計軟件SolidWorks進行建模,再用ANSYS作第二次建模,然后通過ANSYS對液壓機下梁進行網絡劃分,加載求解,得到最大處的彎曲應力。這樣除了在資源的利用方面得到了節(jié)省,得出來的結果也達到一定的精度。

1.液壓機的優(yōu)化設計

1.1液壓機建模

在我們的實際設計優(yōu)化中,我們根據實際情況,建立了兩個建模:一個是利用SolidWorks軟件建立的CAD模型;另一個是利用ANSYS軟件建立的CAE模型。原因是目前各個CAD/CAE軟件彼此之間的模型通用性較差不能很好的實現無縫對接,在導入中經常會發(fā)生部分模型數據丟失的情況,所以,我們的研究方向是利用了SolidWorks軟件進行建模,再用ANSYS作第二次建模,然后分析和優(yōu)化,這樣除了在資源的利用方面得到了節(jié)省,得出來的結果也達到一定的精度。

2.分析與優(yōu)化

2.1優(yōu)化前分析結果

使用ANSYS軟件進行CAE模型建立,對THP61-500型整體框架式液壓機下梁進行分析運算,然后將優(yōu)化前的變形和應力云圖從軟件中保存出來(如圖1.圖2所示)。注:其中材料應力變形圖為彈性材料模型所得到的應力變形結果。

從圖中不難看出隨著整體下梁結構上不同顏色的分布,液壓機下梁各部位在受力的情況下發(fā)生的變形是不同的。其中出現紅色的孔受力發(fā)生變形最大。變形最大值為0.1637mm。通常情況下,我們考慮極限值為下梁長度的1/5000。

從圖中可以看出,應力主要集中在孔邊緣,因為整體液壓機在工作的時候,其承載了很大的壓力,最大值為64.400MPa,在許可的范圍內。其余部分應力分布都很均衡,受力后影響不大。

從上兩圖中可以看出,實際變形應力值與極限值還有很大的差距。在這種情況下,液壓機在承受載荷時發(fā)生的變形很小,安全系數很高。用了很多沒必要的材料,造成了人力和物力上的浪費,無形的增加了產品的成本。所以我們要利用有限元技術對此進行優(yōu)化,通過合理分配油缸的受力,降低梁的高度,減小某些筋板的厚度,去掉一些沒有用的筋板等一些方法,得到相比起來更優(yōu)化的結果。達到既能讓機器安全穩(wěn)定的運行,又能減少材料,減輕液壓機的重量,降低產品成本的目的。

2.2 優(yōu)化分析

優(yōu)化主要針對液壓機下梁部分的左縱板位置,橫前板,厚凸臺厚,橫后筋板厚,這幾個變量來進行優(yōu)化。將其變量取不同數值時,與變形和應力的關系用曲線圖的形勢表現出來。經過多次的分析驗證,取下梁左縱板位置d3:0.25m,下梁橫后筋板厚t4:0.02m,下梁厚凸臺厚t11:0.06m,并且以這些數據作為參數進行優(yōu)化結果的計算。

2.3 優(yōu)化后的結果

將上節(jié)分析的優(yōu)化結果程序在ANSYS軟件中運行,得到THP61-500型整體框架式液壓機下梁優(yōu)化后的變形應力分布云圖,如圖3和圖4所示。

從云圖中可以看出,在進行了一系列的改進之后,對機器上的變形分布并沒有大的影響。變形的最大值為0.387mm,其值在規(guī)定許可的范圍之內,在節(jié)省材料和減輕重量的同時,不會影響液壓機本身的正常安全使用,因此本設計達到了優(yōu)化的目的,相對優(yōu)化的比較成功。

從云圖中我們可以看出,應力仍就集中在孔附近。最大應力為208.268MPa,在工程中的許可范圍內,優(yōu)化相對成功。

通過表1可以看出,經過一系列的減去前面橫筋板,減小厚凸臺厚,減小后橫筋板厚度,移動左縱板位置的優(yōu)化之后,雖然液壓機的變形及應力有所增大,但是其變化值都在規(guī)定許可的變化范圍之內,不影響液壓機的正常使用。與此同時,液壓機下梁的重量由原本的6.015噸減為3.838噸,比優(yōu)化前減輕了2.177噸。所以本設計達到了優(yōu)化的目的,相對優(yōu)化的比較成功。

表1 優(yōu)化前后對照表

變形(DMAX) (mm) 應力(SMAX)(MPa) 噸位(WT) (噸)

優(yōu)化前 0.163 64.40 6.015

優(yōu)化后 0.387 208.268 3.838

相對變化 +137.32% +223.39% -36.19%

3.結論

本課題對整體液壓機下梁進行優(yōu)化改進,在經過一系列的優(yōu)化之后,使液壓機在變形及應力都符合要求的前提下,減輕了液壓機自身的重量,從而達到優(yōu)化的目的。此設計相對于過去的設計方法,有諸多優(yōu)點。第一,使用計算機制圖,較傳統(tǒng)的手工制圖縮短了設計時間,提高了勞動效率。第二,使用CAE建模,使優(yōu)化全過程更加精確并且便于修改,避免在圖紙中修改所造成的不必要的時間浪費。第三,節(jié)省了液壓機所用材料,使本液壓機在激烈的市場競爭中占據了優(yōu)勢地位。因此,本設計在改善傳統(tǒng)設計方法的同時,也較好的達到了優(yōu)化的目的。

參 考 文 獻:

篇（7）

中圖分類號：TH323 文獻標識碼：A

作為高壓隔膜泵液力端的核心部件，隔膜腔在輸送固液兩相流體過程中起到了非常重要的作用。隔膜腔用于連接隔膜室蓋、進料閥和出料閥，因此隔膜腔的設計過程中需要考慮流體壓力、螺栓預緊力和其他因素的影響。本文以某大型高壓隔膜泵中隔膜腔為研究對象，基于有限元方法對隔膜腔進行了靜力強度分析。通過ANSYS的后處理分析模塊獲得了隔膜腔的應力分布，扭曲和應力線性化結果。根據ASME VIII-2標準對隔膜腔的機械強度進行了校核，并在此基礎上對隔膜腔的結構進行改進設計。分析結果可為隔膜腔的結構優(yōu)化設計和降低成本提供一定的理論基礎。

1 有限元模型的建立

圖1（a）給出了隔膜腔的剖面圖，從圖中可以看出兩個內腔圓角和最小壁厚分別用R1，R2和d表示。通過三維設計軟件SolidWorks畫出隔膜腔的1/4對稱模型，如圖1（b）所示。隔膜腔的材料采用ZG20Mn，材料屬性如下：拉伸強度σb為510MPa，屈服極限σs為295MPa。根據ASME相關標準，材料的許用應力可通過下式計算出來。

Sm=min（σb/2.4， σs/1.5）（1）

將SolidWorks建立的隔膜腔幾何模型輸出為SAT格式檔并導入有限元分析軟件ANSYS，在ANSYS的前處理模塊對隔膜腔劃分網格。應力集中區(qū)域需要局部網格加密，最后獲得隔膜腔有限元模型的單元數為173812，節(jié)點數為36952。根據隔膜泵實際的工作狀態(tài)，定義隔膜腔的邊界條件和載荷如下：隔膜腔的對稱面施加對稱邊界約束，定義隔膜腔和隔膜室蓋螺栓連接處施加600000N的預緊力，隔膜腔和出料閥螺栓連接處定義80000N的螺栓預緊力，隔膜腔內受液體壓力的面施加20MPa的壓力。圖2給出了隔膜腔的載荷約束圖。

2 應力分類及強度評定

圖3給出了隔膜腔的Von Mises應力圖和位移云圖。從圖中可以看出最大應力出現在隔膜腔的相貫線處。根據ASME VIII-2標準，定義了用于強度校核的四條線性化的應力計算路徑，如圖4所示。選擇這些路徑的原理如下：沿著壁厚的方向，根據最大應力節(jié)點定義一條或多條應力計算路徑。應力線性化計算路徑還應當在隔膜腔的應力集中區(qū)域進行定義。

根據應力產生的原因、應力集中區(qū)域和應力的性質，壓力容器應力可以大致分為：主整體膜應力（Pm），主局部膜應力（PL），主彎曲應力（Pb）和次應力（Q）。利用這些應力和如下的校核方法可對隔膜腔的強度進行校核：主總體膜應力的等效值應當小于金屬材料的許用應力（Sm）?？紤]到應力的位置，主局部膜應力的等效值應當小于1.5倍材料許用應力（1.5Sm）。根據極限載荷設計理論，當膜應力和彎曲應力同時存在時，他們的和應當小于1.5倍的材料許用應力（1.5Sm）。更進一步考慮次應力的限制條件時，Pm（PL）+Pb+Q應當小于3倍的材料許用應力（3Sm）。

通過ANSYS的后處理模塊，畫出了沿著四條應力計算路徑的等效應力變化曲線，如圖5所示。四條應力計算曲線的最大等效應力列在了表1中。

表1 不同路徑的最大等效應力

路徑 薄膜應力（MPa） 薄膜+彎曲（MPa） 總應力（MPa）

1 40.12 84.25 90.74

2 33.25 82.03 94.22

3 44.45 66.49 62.83

4 45.38 58.16 62.85

將表1中的應力數據帶入應力校核公式，可獲得隔膜腔的應力校核結果，如式2-5所示。結果表明隔膜腔的應力滿足強度使用要求。

Pm=40.12MPa

PL=45.38MPa< 1.5Sm=295.05MPa （3）

Pb +PL=84.25MPa< 1.5Sm=295.05MPa（4）

Pb +PL+Q=94.22MPa< 3Sm=590.1MPa（5）

通過修改隔膜腔的結構來優(yōu)化隔膜腔的結構并降低制造成本。結構的修改方法如下：保持內腔幾何尺寸不變，壁厚減小30mm，修改結構前后的模型對比如圖6所示。

根據相同的應力分析方法，用ANSYS軟件對修改結構后的隔膜腔進行應力分析。修改結構后的隔膜腔的應力線性化路徑的定義位置與改結構之前的位置相同。修改結構的隔膜腔的最大等效應力列在表2中。

表2 不同路徑的最大等效應力

（修改結構）

路徑 薄膜應力（MPa） 薄膜+彎曲 （MPa） 總應力（MPa）

1 60.38 137.25 148.67

2 50.42 128.57 155.38

3 68.76 109.32 126.04

4 69.81 97.49 132.72

根據表2中的等效應力，按照ASME VIII-2標準對隔膜腔的強度進行校核，可以看出修改結構后的隔膜腔同樣滿足強度要求。

3 結論

通過對用于遠距離管道輸送的某型隔膜泵隔膜腔的應力分析和校核，可得到如下結論：

可通過有限元分析軟件ANSYS對隔膜腔進行靜應力分析，并且獲得了工作壓力下隔膜腔的最大應力位置和最大應力值。

根據ASME VIII-2標準中對應力的分類，在隔膜腔1/4對稱模型上定義了四條不同的應力線性化計算路徑，并且通過ANSYS后處理模塊獲得了等效應力變化曲線。隔膜腔的機械強度通過相關的應力校核方法進行了校核，結果顯示修改結構前后的隔膜腔結構均滿足強度要求。

通過減小壁厚獲得了一種新的隔膜腔結構，新結構通過校核滿足強度使用要求，通過比較結構，發(fā)現新結構減小了重量，降低了制造成本。

參考文獻

篇（8）

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.13.096

0 引言

房屋結構設計，是當下房屋出售過程中，銷量的最重要的影響因素之一。為了迎合顧客的要求，建筑結構設計優(yōu)化人才緊缺。建筑結構設計優(yōu)化在房屋結構設計中有著重要的作用，它涉及到房屋的安全性方面、實用性方面、美觀性方面等，使房屋除卻使用價值外，更具有其他的價值，讓人們的生活更加豐富，更有質量。

1 建筑結構優(yōu)化方式簡述

建筑結構優(yōu)化方式，是我們專業(yè)人員在長期的時間、實踐中總結出來的一種帶有科學化的、合理化的房屋結構設計的方式。它包含著很多的方面，比如房屋建設前期調查考研。這需要建筑設計師有長遠的目光，立足于整體，綜合多方面的聯系等做出基礎的決定；在設計時，還要考慮到建筑的難度，周圍環(huán)境的合理利用，消費者需求需要等。因此基于這些綜合條件下，設計師們的建筑結構設計優(yōu)化才能為房屋結構設計做到最好的效果。

總體而言，我們可以總結以下幾點：設計理念基于多個學科的知識，是跨領域的智慧集結體；建筑結構優(yōu)化，更注重房屋的質量，無論是怎么優(yōu)化，質量是基礎，切勿中看不中用；建筑結構設計向“外表”側重，即多側重于房屋建筑的外表設計，多注重房屋外部美觀性；建筑結構優(yōu)化方式緊跟社會主流，倡導衛(wèi)生環(huán)保理念 ；房屋建筑結構要求有特色，多利用環(huán)境的特色進行創(chuàng)意建造，且考慮施工便易度。

2 建筑結構優(yōu)化方式在房屋結構設計中的重要性

無論是怎樣的房屋建筑設計，首要所考慮的就是房屋的質量。并且在實踐中我們不難發(fā)現，我們傳統(tǒng)地房屋建筑設計，質量保證是絕對主要的，因此在一定程度上忽略了一些“加分項”。當然除此之外，建筑結構優(yōu)化方式在房屋結構設計中還發(fā)揮著重大的作用。

隨著經濟的發(fā)展，房屋占地面積越來越多，為了節(jié)省土地，房屋的層數不斷增加。這樣的高層次疊起，導致工程量增加，經濟等的投入增加，房屋賣價也隨之增長，循環(huán)下來，最終導致消費者需要高價買房。

建筑結構優(yōu)化方式，是在多方面影響因素的基礎上做出的科學化房屋建造方式。它不僅提倡房屋建筑的質量，并且秉承著外表美觀的理念。從整體出發(fā)，具體問題具體分析的設計，多方面考慮房屋建筑的造價問題，以最少的、最好的建造成本打造最優(yōu)的房屋，帶動經濟的發(fā)展，為人們謀利益，當然這也是促進企業(yè)快速發(fā)展的重要保障。

總的來看，房屋結構設計中的建筑結構優(yōu)化方式是當前房地產相關企業(yè)重點發(fā)展的部分，收益利益的同時，也打造良好的品牌，長久發(fā)展。

3 建筑結構優(yōu)化方式在房屋結構設計中要求

建筑結構優(yōu)化方式在房屋結構設計的實踐過程中，無論是設計人員，還是施工人員，都面臨著巨大的壓力，想要達到房屋建造的最好狀態(tài)，只有雙方共同協(xié)作才是最好的方式。

首先是設計人員。前面我們也提及到，設計是跨越了多個學科知識的智慧結晶，尤其是在藝術修為上，必須要有較深的造詣，才能夠擁有設計的靈感。除此之外，設計人員的整體性觀念必須要強。建筑結構優(yōu)化方式是基于多方面的影響因素。設計人員把握整體的設計，也要考慮當下房屋建造技術的程度，最大化的設計出既美觀又實用的房屋建筑。

其次是施工人員。施工人員并不是機械的按照設計師所設計出的房屋結構進行施工，其中也是含有靈活靈用的成分。當然，施工人員必須要遵守：質量第一、安全第一。為了提高自身的能力，施工人員應該多學習相關的理論知識，并將其應用到實踐中，在實踐中鍛煉自己、提高自己。

最后就是設計人員與施工人員雙方的巧妙配合。雙方應該積極溝通，為對方提供更好的理解，達到最優(yōu)的房屋結構設計效果，實現雙贏，促進經濟的發(fā)展。

4 建筑結構優(yōu)化方式在房屋結構設計中的實踐

實踐出真知，只有經過實踐的檢驗才能真正成為大眾所需要的。房屋結構設計也不例外。建筑結構優(yōu)化方式在房屋結構設計中的實踐，我們可以得出以下幾點：

（1）綜合理念的考慮。無論是哪種房屋建筑，在建造的過程中都有著層次性和多方性的特征。針對于房屋建筑的層次性，它包括著房屋建造的設計理念方面、構造方面、建造施工方面等。綜合理念的考慮，是極其重要的。

（2）施工期的規(guī)劃。當房屋建造時，施工時間是有規(guī)定的。但是建構結構優(yōu)化方式考慮到了多方面的因素，因此施工期間，房屋建造需要進行規(guī)劃，要考慮到房屋建造的階段性。

（3）房屋基本結構。對于一個房屋建筑而言，基礎打造是必修課。首先是房屋的樁，既要選好樁的材料、樁的位置，又要考慮好環(huán)境對樁的影響。其次是對于房屋上部結構[5]的考慮。房屋不倒，要考慮好受力的重心。在建造結構上優(yōu)化這些短處而且房屋的排水系統(tǒng)也是一個重點。在選擇排水管的時候一定要結合實際，適當選擇。

（4）房屋內線路鋪設。當房屋建造好之后，電路也是一個問題。首先要考慮好電路之間的關系問題，合理安排。其次要注意電線的鋪設，不能雜亂的在外，要注意安全。

5 結束語

綜合以上來看，建筑結構優(yōu)化方式牽扯到了方方面面，其中不變的理念就是房屋建筑的質量和外在美觀度的結合。無論是設計者還是施工者，又或是企業(yè)本身，都是在積極的探尋建筑結構優(yōu)化方式，期望能達到房屋建造結構的最優(yōu)。并且隨著時代的發(fā)展，我們相信，建筑結構優(yōu)化方式會更優(yōu)化，人們的住房環(huán)境會越來越美。

篇（9）

中圖分類號：TB482文獻標識碼： A

一、結構設計優(yōu)化方法

依據設計的要求，把力學概念與結構優(yōu)化設計進行有機結合，讓參與計算的量部分可以以變量部分出現，進而形成結構設計優(yōu)化方案域，運用數學手段，在域中找到可以滿足要求的結構優(yōu)化最佳設計方案。由此可見，結構優(yōu)化設計不僅可以提高整體設計水量及設計質量，還可縮短設計周期，從而降低整體工程造價，提高經濟及社會效益。房屋工程分部結構優(yōu)化設計包括：基礎結構方案的優(yōu)化設計、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設計、圍護結構方案的優(yōu)化設計和結構細部設計的優(yōu)化設計。對以上幾個方面的優(yōu)化設計還包括選型、布置、受力分析、造價分析等內容，在實施過程中，不僅要按照一切從實際出發(fā)的原則，更應該結合具體工程的實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經濟效益的目標進行結構優(yōu)化設計。在滿足設計要求后，在進行結構設計時應該盡量縮小剛度、質量中心的差異使平面布置規(guī)則，水平荷載就不會使建筑物有太大的扭轉作用。為降低應力集中，豎直方向上應避開使用轉換層。

結構優(yōu)化設計的本質以力學理論和數學規(guī)劃理論為理論基礎，以計算機技術為工具，對建筑結構涉及到的各個變量進行尋找優(yōu)化決策的先進的設計方法，其本質就是求極值問題。（1）優(yōu)化數學模型。建立正確合理的優(yōu)化數學模型是結構優(yōu)化設計的關鍵步驟，基于正確的優(yōu)化數學模型是得到正確優(yōu)化結果的基礎。例如，在優(yōu)化模型中，數學模型中的等式約束個數應當小于設計變量的個數，這樣才能求得最優(yōu)解。（2）優(yōu)化數學算法和優(yōu)化迭代控制。對于建立的優(yōu)化數學模型，雖然可用的優(yōu)化算法有多種，但是采用不同的優(yōu)化算法所得到的優(yōu)化效果和所花費的求解時間會有差別。所以，快速、有效的數學優(yōu)化算法也是結構優(yōu)化設計的一項關鍵技術。（3）結構分析方法。絕大多數的結構優(yōu)化設計問題難以采用解析法求解，而是采用數值法的方法。數值解的尋優(yōu)實際上是一個優(yōu)化迭代過程，而每次優(yōu)化迭代都需要進行結構分析。實現以上提到的關鍵技術需要經過建立可靠的優(yōu)化模型，然后采用適當的優(yōu)化算法進行求解。這其中選擇計算簡便且正確率高的優(yōu)化算法顯得尤為重要。

二、民用建筑結構設計和經濟性的關系

第一點，結構設計和用地之間的關系。在多層或者高層的民用建筑中，我們常說的總建筑的面積具體講是每層的建筑面積之和，如果層數越多，那么單位建筑的面積分攤的占地面積相應的就會越小。然而隨著層數日益變多，總體住宅高度也會不斷上升，隨之屋子間的距離也相應的變大。通過這一闡述我們了解到，用地節(jié)約的多少并不會根據建筑樓層增加而按一定的約數變高。

第二點，結構設計和造價之間的關系。一般建筑的樓層會在一定程度上影響到單位建筑的面積，但對每部分的結構來講，具體的影響程度是不一樣的。在屋蓋的區(qū)域，無論有多少層，都統(tǒng)一使用統(tǒng)一相同的房屋蓋。它跟層數增加無關，所以對屋蓋的資金投入也不會加大。因此，屋蓋處的單位面積資金投入會根據層數的不斷上升而表現出很明顯的降低。在建筑的基礎處，每層都共同使用一個基礎，因此隨著層數不斷增加，相應的基礎結構承受的荷重就會增加，因此我們必須要增加基本的荷載力。基礎地區(qū)的單位開銷雖然會根據層數的增加而呈現出降低的意思，但是這種意思并不像屋蓋那樣如此明顯。一些承重體，比如墻、梁或者柱等，會隨著層數的不斷增加而不斷地增加荷載能力以及抗震能力等，相應的這些分部的單位房屋造價會有一定的提升。

第三點，高層住宅結構設計與經濟性的關系。一般而言，住宅層數高矮將本質的影響住宅開銷，其根本原因乃是伴隨層高不斷上升，墻體面積和柱體積也會慢慢上升，而且會加大結構自重，進而還會增加柱以及基礎承受荷載力，于是讓電氣以及水衛(wèi)的管線同比例變長。如果將層高降低，那么可以有效地節(jié)省材料物資，而且還可以節(jié)約能源等，對于抗震非常有利，能最大程度的節(jié)約金錢輸出。另一方面，減少層高不但可以降低房屋的高矮，有效地縮小建筑和建筑間日照的距離，所以降低層高也在一定程度上對于節(jié)約土地資源有很大的作用。

三、結構設計優(yōu)化技術應用實踐

結構方案的建立過程即工程結構設計。伴隨急速更新發(fā)展的計算機硬、軟件產業(yè)，憑借計算機、力學、數學一系列方法，將結構設計做到最優(yōu)化技術推廣。結構優(yōu)化設計及傳統(tǒng)結構設計其設計原則和過程是相同的，不同之處在于傳統(tǒng)設計缺少安全、經濟性作為衡量準則。最優(yōu)設計則是在安全、經濟準則基礎之上，利用計算機作為輔助技術，非常便利地實現了分析計算、設計、出效果圖等整套程序的自動化，大大提升了設計整體效果及質量。為了達到降低工程造價之目地，在不更改使用性能的基礎之上，就要對結構進行最優(yōu)化設計。由此可見結構設計優(yōu)化技術的應用已經是較為寬廣的課題之一。它不僅應用于項目的前期、整體、抗震設計，在舊房改造期間的各個環(huán)境均有廣泛應用。結構設計優(yōu)化技術在應用實踐中應注意的問題如下：

1前期方案設計期間將結構設計優(yōu)化參與其中

建筑方案設計前期如有一個優(yōu)秀的、合理的設計方案，并參與結構設計優(yōu)化，就會爭取到非常優(yōu)秀的開端。但目前在前期設計方案中結構設計優(yōu)化參與其中的并不多，如果能對建筑類別有所針對，并進行合理選擇結構設計優(yōu)化方案，將降低建筑的總投資成本，因此在建筑方案設計初期應注意建筑方案的結構優(yōu)化設計，考慮結構的合理及可行性。

2概念設計結合細部結構設計優(yōu)化

概念設計主要作用于無具體數值量化現象，比如無確定性的地震設防烈度，現實難免與計算式存在區(qū)別，那么設計時應采取概念設計方法，使數值成為輔助及參考根據。為達到最佳優(yōu)化設計效果，設計人員應該靈活運用結構設計優(yōu)化方案。與宏觀把握相對應的，設計的過程同時要注意對于細部的結構設計優(yōu)化，比如現澆板中的異形板拐角方向容易出現的裂縫，可歸結為矩形板。鋼筋選擇時應注意：I級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力相差卻相當大，所以在塑性滿足要求的情況下，現澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設計的時候，外立面上的懸挑板及配筋，應在滿足基本規(guī)范要求之上，以達到安全、經濟之目的。

3結構設計優(yōu)化―――下部地基基礎

樁基礎類型的選擇，要依據現場地質條選擇最為合適的結構設計優(yōu)化方案，以降低工程總造價為目的。例如對灌注樁樁長的選擇影響較大的樁端持力層的選擇，要多進行比較，最終確定最為合適的方案。

總之，建筑是凝固的藝術，好的建筑師總希望可以通過建筑來合理的表達本身設計意圖，希望擁有藝術性以及實用性能的美妙融合。建筑結構設計師們應嚴格遵“安全、經濟、合理”的設計理念，努力探索更合理的結構設計方案，保證建筑工程取得良好的經濟效益和質量效益。

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隨著經濟的發(fā)展，人們的生活水平也得到了一定的發(fā)展，居民對于購房過程中逐漸考慮多方面因素，無論是安全性還是經濟性和外觀設計，都成為了主導消費者選擇的因素。因此在建筑結構設計中，不僅要對施工過程是否合理進行考慮，還要實現對設計方案的不斷優(yōu)化，從經濟型以及安全性和外觀設計等方面提高建筑的基本價值。文章對建筑結構的設計優(yōu)化方案在房屋結構設計過程中的作用進行研究分析，希望能夠更好的促進我國建筑設計者的創(chuàng)新意識的發(fā)展。

1結構設計優(yōu)化方案的理論分析

站在理論層次來看，在進行結構設計優(yōu)化的過程中，要充分考慮到安全性以及可靠性在建筑整個過程的發(fā)展和體現。與此同時，還要盡可能的保證建筑物的設計美觀和結構合理。因此要想達到這些目標，需要不斷的對結構設計方案進行合理的分析設置，并對計算方式進行合理的選擇，以便能夠更好的滿足當前的既定目標。在實際設計的過程中，想要對房屋工程結構進行優(yōu)化，就需要從圍護結構以及屋蓋系統(tǒng)和其他細節(jié)部分進行考慮。采取合理的方法對其造價以及結構進行整理的安排優(yōu)化，不斷實現經濟性以及安全性目標的達成。為了更好的適應時代的發(fā)展需求，建筑結構的設計中要充分創(chuàng)新，不斷提高設計的特殊性以及新穎性。從對稱性以及獨特性的角度出發(fā)，對建設設計方案進行不斷的修改完善，并運用實際所學知識來實現對構架的合理布置，避免使用轉換層機構。對不規(guī)則建筑設計的原則要進行恰當的處理與使用，從根本上完善設計方案，實現設計過程的整體優(yōu)化。

2結構設計優(yōu)化技術具體運用

2.1建立優(yōu)化結構相關模型

在對房屋結構設計中，要充分對建筑結構設計優(yōu)化方法進行使用。在具體實施的過程中，可以從三個步驟來實現最終的設計優(yōu)化目的。（1）對設計變量的選擇。在進行設計變量的選擇過程中，要對影響建筑結構的相關參數進行系統(tǒng)的研究分析，并進行綜合考慮選擇。將對建筑結構影響的參數作為當前模型中的設計變量，這些變量主要包含損失的期望值以及結構的過后家和約束控制的相關參數等，最大程度的保證設計便變量選擇的合理性。（2）確定目標函數。在進行實際優(yōu)化的過程中，除了對必要的參數進行選擇之外，還需要尋找到一些相關條件來實現對工程造價的降低，而這些條件主要包括相關建筑截面的具體尺寸以及鋼筋的截面積等。（3）確定相關約束條件。在對房屋結構設計優(yōu)化過程中，要保證房屋結構設計的合理性以及可靠性，確保相關的設計條件能夠得到滿足。而設計優(yōu)化過程中的約束條件主要有裂縫寬度、結構強度、應力約束以及結構體系約束和尺寸約束等，在進行結構設計的過程中，要充分的對目標約束條件與實際情況形成對比，確保約束條件能夠滿足相關的規(guī)定要求，從而力求設計達到最佳。

2.2選擇合理的優(yōu)化計算方案

在進行方案設計的過程中，設計者要充分考慮當前的施工過程中的內部和外部環(huán)境，確保各種因素能夠在可行的范圍之內。借助對約束條件以及非線性優(yōu)化問題等的具體研究和分析，最計算方案之中選取最適合當前施工狀況的方案，從而確保方案設計更具有合理性。而在對設計方案進行優(yōu)化的方法選擇中，拉氏乘子法、復合形法以及Powcll法使用相對較為頻繁。

2.3對程序問題進行設計優(yōu)化

在對房屋結構設計的優(yōu)化過程中，通過確定設計變量以及目標函數和約束條件從而實現對計算方法的合理選擇，最終不斷的實現對房屋結構設計的優(yōu)化活動。而在優(yōu)化過程中，還需要對對相關程序進行創(chuàng)新設計，以便于能夠更好的對設計過程中出現的任何一個問題進行運算，確保設計方案的合理性。

2.4結果分析

在進行計算的過程中，要對計算結果的合理性進行再次的分析研究，最終來選取適合相關房屋結構設計的方案。在方案選取的過程中，要對能夠產生影響的諸多因素都考慮在內，并且從多角度來看待這些因素所產生的問題，這能夠更好的促進設計優(yōu)化的作用，從而確保設計方案的合理性以及安全性。在施工問題上，設計方案能夠更好的優(yōu)化當前資源使用的程度和效率，確保資源不被合理的浪費的同時又能夠保障相關技術支出不受縮減，其能夠起到一個整體的統(tǒng)籌作用。

3結構設計優(yōu)化技術的實踐應用

在對于項目工程設計的過程中，無論前期設計還是后期設計，無論舊房改造還是抗震設計，結構設計優(yōu)化技術運用在工程的每一個環(huán)節(jié)之中。因此，在結構設計過程中，要合理的選擇結構的形式以及對設計方案進行深層次的優(yōu)化，將概念設計和細節(jié)設計相結合，從而實現對方案最終的優(yōu)化；在結構設計優(yōu)化技術的實踐作用之中，要充分將其運用在對地基基礎的設計問題上，其能夠更好的幫助房屋建筑實現安全性和可靠性，確保房屋建造的質量。

4結束語

分析建筑結構設計優(yōu)化方法，可以得知，其對于房屋結構設計的作用是無法取代的。因此，選擇合理的優(yōu)化方案能夠保證房屋建設在達到相關建設標準要求的基礎上實現經濟最大化。建筑結構的設計優(yōu)化是一個相對復雜的概念，只有不斷的加強研究和分析才能夠更好的實現其在現實生活中的運用。文章在對建筑結構優(yōu)化設計過程以及問題等多方面分析角度下，希望能夠給相關的設計人員帶來一定思考和啟發(fā)，從而提高建筑結構的優(yōu)化方案設計，實現房屋建造的安全性以及穩(wěn)定性。希望文章對建筑結構優(yōu)化設計方案的論述，能夠促進讀者對這一概念的更好的理解和思考。

作者:郭睿 單位:中鐵工程設計院有限公司

參考文獻：