人工智能在结构拓扑优化领域的现状与未来趋势

结构优化,特别是结构拓扑优化,受到学术界和工业界的广泛关注。通过发展不同的拓扑优化算法,实现了众多具有卓越力学、热学和声学等多学科性能的最优拓扑构型创新设计。然而传统的拓扑优化方法在处理大规模的拓扑优化问题的迭代过程中往往需要多次大规模有限元分析,面临巨大计算量的挑战。近年来,以机器学习为代表的人工智能方法的迅猛发展,成为拓扑优化最具有发展前景的新学科方向。通过将人工智能算法与拓扑优化框架结合,使得拓扑优化的效率大幅提高,同时也为实时拓扑优化的实现提供了可能。本文通过回顾近十年来基于机器学习拓扑优化方法研究的一些重要进展,对截止目前的研究现状进行了简要介绍。由于论文篇幅有限,本综述不涉及该领域的全部文献,其综述范围有限,且与作者本人的研究兴趣密切相关。

地震作用下核电站环行吊车动力响应的模型实验研究

基于量纲分析理论,提出地震作用下环行吊车缩尺模型动力响应的相似准则,确定核环吊原型和实验模型之间动力响应的相似关系。根据抗震规范要求和相似准则,采用El Centro 1979地震波作为实验台地震输入,对振动台震动输入进行调幅处理,水平地震输入幅值为0.3g,竖向地震输入幅值为0.2g,地震输入的时间缩尺为4。核环吊抗震实验结果表明,与实验台地震输入峰值相对比,吊车大梁跨中水平加速度峰值增加了56.0%,跨中竖向的加速度峰值增加了119.0%;环轨水平加速度峰值增加了66.7%,环轨竖向的加速度峰值增加了43.5%。研究表明,当水平地震波的输入方向与吊车大梁轴线相垂直时,吊车大梁跨中水平加速度峰值最大;当水平地震波的输入方向与吊车大梁轴线相平行时,环轨的水平加速度峰值最大;环轨的垂直加速度峰值受水平地震波的输入方向影响不显著。在地震荷载作用下,核环吊没有发生跳轨现象。

基于应力释放的盾构隧道开挖地表沉降分析

以沈阳地铁1号线隧道为例,利用有限元方法研究盾构施工引起的横向地表沉降问题。引入地层损失和地应力释放的概念,分别在不同地层损失率、不同地应力释放率条件下,建立有限元模型进行计算。根据实际施工时监测到的地表沉降值与有限元模拟的地表沉降值进行比较,发现地表沉降值与地层损失率和地应力释放率成正比,并通过最大地表沉降值的对比确定了该路段施工引起的地层损失率为1.747%,引起的地应力释放率为74.071%。利用同样的方法,确定了10座城市隧道开挖过程中引起的地层损失率区间为0.5%~2%、地应力释放率区间为60%~80%,并将地层损失率为1.747%和地应力释放率为74.071%时的衬砌混凝土管片处的最大弯矩与无地层损失、无地应力释放率模型管片处的最大弯矩值进行对比,可以发现最大弯矩值有明显的减小,分别减小了76.16%和71.82%。且2种方法得到的弯矩值非常接近,可以认为地层损失率模型和地应力释放率模型是等效的。

混凝土管片接头极限承载力特性的实验研究

为获得高强混凝土管片接头偏心受压极限承载力特性,研究了轴压对混凝土管片接头极限弯矩的影响。实验结果表明:由于管片螺栓的位置靠近截面形心,管片的极限正弯矩与极限负弯矩近似相等。管片接头的极限弯矩随轴力的增加而增加,符合大偏心受压混凝土构件的极限承载力特性。当轴力为1000 kN时,管片接头螺栓的应力达到了屈服强度;当轴力为2000 kN和3000 kN时,管片接头螺栓没有屈服。在极限状态下,混凝土管片接头受压区混凝土被压碎。受拉螺栓屈服与否,与轴力相关。管片接头手孔的存在,在某种程度上削弱了管片接头的极限承载能力;管片接头的最大开度随着轴力的增加近似线性减少;较大的轴力,能够有效的限制管片接头的张开角度。

地震作用下核电站环行吊车动力响应特性的模拟分析

为评估地震作用下核电站环行吊车的动力响应特性,建立一个包含安全壳的简化核环吊有限元模型,数值模拟其在调幅的El Centro地震波作用下的受力特性,计算核环吊的固有频率特性,其中1阶固有频率为2.44 Hz。研究表明,在规范地震荷载作用下核环吊大梁的强度满足规范要求。在典型的三向Los Angeles地震动作用下,大车轮子与环轨之间始终处于受压状态,没有发生跳轨现象;小车轮子与大车主梁之间始终处于受压状态,也没有发生跳轨现象。与安全壳基础输入地震波的峰值相比,核环吊大梁跨中和吊车小梁跨中最大垂直加速度分别增加了107%和126%。

高强混凝土管片接头偏心受压破坏形态的研究

为了研究高强混凝土管片接头偏心受压破坏形态,设计了C60、C70和C80混凝土管片接头在轴力和弯矩共同作用下破坏过程的实验方案。研究了在不同轴压条件下,混凝土管片弯矩随挠度的变化特性。混凝土管片的破坏形态表现为,在弯矩和轴力共同作用下,管片接头受压区边缘的混凝土首先达到极限压应变,受压区的混凝土被逐渐压碎,并且会出现1~3条近似垂直管片接头于接触面的主裂缝。实验研究结果表明,管片接头的极限弯矩随轴力的增加而增加,与轴力1000kN时管片接头极限弯矩相对比,轴力2000kN时C60、C70和C80混凝土的管片接头极限弯矩分别提高了29.29%、84.10%和53.34%~78.54%。