空心混凝土砌块的拓扑形状选择和参数优化设计

论文摘要

利用ANSYS软件建立新型空心砌块的模型并对其进行了力学分析，在保证砌块强度指标等满足国家标准的基础上，对砌块的拓扑形状和几何参数进行了结构优化设计。本文主要工作：1．对空心砌块的发展现状和最新研究进展进行了大量调研，指出了空心砌块及砌块建筑的优缺点，以及空心砌块所具有的广阔发展前景。给出了新型空心砌块设计的初始方案和混凝土空心砌块的应力-应变关系。2．介绍了ANSYS软件基本功能及其几何实体建模方法。通过建立参数化的空心砌块有限元模型，对其在顶面均布载荷作用下的工况进行了力学分析，得到了可以进行强度设计的应力和应变等指标。3．利用ANSYS的结构拓扑优化模块对空心砌块的拓扑形状进行结构优化设计。建立了以总体积为目标函数，以主拉应变状态变量为约束条件，以空心砌块腹腔尺寸为优化变量的空心混凝土砌块为优化设计模型，并采用零阶方法进行了优化设计和计算。4．对比三种不同拓扑形状内腔的空心砌块的参数化优化计算结果得知，优化变量的初始值直接影响优化结果，有倒角圆弧的空心砌块结构更合理。综合比较后选用内腔倒角圆弧为15mm的模型作为最佳拓扑形状。5．对空心砌块的热工性能作了简单的比较分析，认为本文新型空心砌块除力学性能方面设计合理外，热工性能也比较优越，具有良好的经济效益和应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题来源及意义
• 1.2 空心混凝土砌块及砌块建筑的发展
• 1.3 新型混凝土空心砌块的发展
• 1.3.1 国外空心砌块的发展
• 1.3.2 国内常用空心砌块的发展
• 1.4 砌体力学性能研究
• 1.5 砌块的节能性能
• 1.6 本文主要研究内容
• 1.7 本章小结
• 第2章 新型空心砌块的设计
• 2.1 混凝土小型空心砌块的分类
• 2.1.1 按混凝土小砌块材料分类
• 2.1.2 按受力和使用部位分类
• 2.1.3 按砌块的功能和作用分类
• 2.2 普通混凝土空心砌块块型和规格
• 2.3 混凝土空心砌块的不足
• 2.4 新型空心砌块的设计方案
• 2.5 本章小结
• 第3章 混凝土的本构关系
• 3.1 混凝土的单轴受压
• 3.2 混凝土的单轴受拉
• 3.3 本章小结
• 第4章 新型空心砌块的模型建立和力学分析
• 4.1 有限元软件ANSYS简介
• 4.2 混凝土单元SOLID65介绍
• 4.2.1 SOLID65单元的理论基础
• 4.3 利用ANSYS建立空心砌块的实体模型
• 4.3.1 新型混凝土空心砌块描述
• 4.3.2 建立砌块初始模型
• 4.4 利用SOLID65单元对砌块进行力学分析
• 4.4.1 对模型进行网格划分
• 4.4.2 对空心砌块加载、求解
• 4.4.3 无倒角圆弧的空心砌块的计算结果
• 4.4.4 有倒角圆弧的空心砌块的计算结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 新型空心砌块拓扑形状选择和参数优化设计
• 5.1 结构拓扑优化概述
• 5.1.1 结构拓扑优化简介
• 5.1.2 结构拓扑优化的发展现状
• 5.1.3 结构拓扑优化的数学模型
• 5.1.4 APDL参数化建模
• 5.2 基于ANSYS结构拓扑优化实例
• 5.2.1 基于参数化有限元分析的概念
• 5.2.2 基于ANSYS的优化设计过程
• 5.2.3 优化设计实例
• 5.3 对新型空心混凝土砌块进行拓扑优化设计
• 5.3.1 优化设计实例I
• 5.3.2 优化设计实例II
• 5.3.3 寻找出最佳的空心砌块的拓扑优化方案
• 5.4 本章小结
• 第6章 新型空心砌块的节能分析
• 6.1 建筑砌块节能概述
• 6.2 关于节能50%的要求
• 6.3 小砌块墙体的保温性能
• 6.4 孔型及排列方式对砌块的热工性能的影响
• 6.4.1 混凝土空心砌块的孔型对其热工性能的影响
• 6.4.2 对新型混凝土空心砌块的热工性能的分析
• 6.5 提高砌块墙体热工性能的措施
• 6.6 本章小结
• 第7章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文
• 附录 B 拓扑优化程序