基于拓扑优化的H型钢梁腹板截面轻量化设计

基于连续体结构拓扑优化变密度法,以相对单元密度为设计变量,体积分数为约束条件,结构应变能最小化为优化目标,对静力荷载作用下的H型钢梁腹板截面进行了拓扑优化研究。通过对优化后的结构进行几何重构,获得一种新型腹板开孔钢梁。与传统圆形开孔梁和六边形开孔梁相比,在用钢量相同的情况下,新型开孔梁的应力分布更为均匀,屈服荷载也有较大提高。采用不同跨高比、不同腹板高厚比、不同开孔参数讨论了腹板设计参数对优化结果的影响。研究表明:随着开孔的增大,结构屈服荷载逐渐降低;腹板开孔形式对结构失效模式有较大影响,随着开孔的增大,梁的失效模式分别呈现出整体失稳破坏、局部剪切破坏、腹板受剪屈曲破坏、腹板孔洞连接处的塑性强度破坏。