优化设计与优化方法

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优化设计与优化方法范文第1篇

关键字：房屋；结构设计；优化技术

引言

目前，随着社会经济水平的不断提高，土地价格也在不断上涨。同时，人民对住房条件的需求也在不断上升，因此，对开发商带来的压力也在不断加大。为了实现房屋建筑经济效益的最大化，就需要采用结构优化技术，在有限的空间内实现资源的最大利用。房屋结构优化设计是指，采取科学合理的设计理念和技术方法来设计房屋结构，以最小的工程报价来最大化整体的建筑收益，提高房屋的质量水平，使得企业也获得较高的利润等。

一、我国目前房屋结构设计现状以及实施优化设计的原因

随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，对住房建设要求也越来越高。同时，根据我国目前的基本国情，人口数量日益增长，住房面积需求量不断加大。因此，我国现阶段住房建设主要以高层为主。房屋的结构设计优化不仅能够满足当今大众的需求，更能为投资者减少建筑成本。

房屋建设结构优化必须以建筑的安全性为首要原则，然后再进一步分析建筑方案，配合科学合理的设计理念，从而有效控制建筑工程造价，实现经济效益的最大化。根据近些年的数据资料显示，优化建筑结构设计可以为整项建筑工程节省30%-50%的费用。但是，在实际的设计过程中，方案设计受自然因素的影响很大，很难发挥出其本身的优越性。例如，工程设计阶段，施工方过多的缩短建筑设计时间，从而使设计效果达不到理想的要求，在缩短工程工期的同时也降低了工程设计质量；建筑设计时，设计人员的经验不足，专业知识不完备，对一些设计软件掌握的不够精通；一些设计者在设计建筑时过度的关注部分结构而忽视了整体方案等等，这些因素都会导致建筑结构设计的不够优化。因此，房屋建筑设计者必须科学合理的分析整体建筑方案，并设计出最优的结构，才能实现经济利益的最大化。

二、房屋结构设计优化主要体现在哪些方面

房屋结构设计优化主要是采取合适的方法以及科学的设计理念来最大化的达到房屋设计标准，如：房屋结构的合理布局、构件大小、结构框架等。钢筋混凝土结构的优化设计的基本理念是将建筑的具体部件以及整体布局进行分析，而顶柱、体形、层高以及拉力构件等等都会影响建筑物的整体布局。建筑构件的布局、强度等级以及配筋构造都是建筑物具体构件的体现。综合以上因素，建筑方案结构需要专业知识丰富且熟知设计规范的工程技术人员设计，而且在设计时必须充分考虑各构件直接的受力特性，从而选取最优的设计方案。

三、房屋结构优化设计技术

（一）优化技术的基本原则

在工程设计优化过程中，必须以工程设计和工程价值为基本原则。优化结构设计的最终目标是充分利用建筑材料，实现建筑构件利用的最大化。优化结构设计不仅遵守建筑设计规范，更实现了当今建筑的审美学和价值学。通过深化改善房屋结构设计，从而实现建筑功能更加协调完善，降低建筑成本，提高经济效益。

房屋结构的优化必须从实际工程施工出发，结合房屋结构的具体情况，实现房屋建筑的结构的最优化设计。在进行结构优化时，必须依据设计意图，采用平面设计布局，降低构件质量和刚度之间的差异，减小水平负载造成的房屋扭曲，在竖直方向上采用转换层技术，有效地降低构件的集中用力。

（二）优化设计的基本的要点

1.依据设计规范

工程师在设计建筑结构时必须具备丰富的建筑设计经验以及熟知设计规范。即依据科学的设计理念，将自身的优化方案融于整个工程项目设计中去。建筑结构设计规范更多是对于工程较大的项目，因而会造成某些规定过于保守。另外，在工程设计比较特殊或复杂时，依据某些规定将会造成建筑物的不安全。因此，这就要求设计师在建筑设计过程中必须具备良好的专业素质以及清醒的思路、正确的判断力，争取将建筑结构设计做到最优。

优化房屋结构设计过程中，应注重建筑构件的细节优化，如：建筑构件的受力钢筋，在满足塑性的条件下尽可能的选择性价比较高的产品，从而实现房屋结构的经济、安全。

2.结构师主动参与建筑设计

在工程施工前期以及施工过程中，建筑结构师的主动参与对整个房屋结构优化起到关键性作用。在实际的工程施工过程中，建筑设计师往往不能够对整个结构体系进行很好的受力分析，即建筑结构师的设计理念以及其自身具备的经验不能完全代替设计师的设计思想，同时，建筑与结构上专业知识的隔阂也无法弥补。建筑结构设计师其丰富的工程设计经验以及专业设计理论，积极主动的为设计师出谋划策，只有两者的顺利合作才能设计出更加优秀的方案。

目前，我国的房屋建筑设计总是先从建筑的结构布局开始，根据结构承载负荷的不同分析所需的材料、参数等，往往这种分析方法是计算机所不能计算出的，它需要建筑结构设计师充分论证整个建筑设计方案之后做出的判断。而这些判断需依据实际工程实践经验以及结构设计所遵循的一般规律进行。

3.加强设计团队之间的合作

优化房屋结构是一项整体而系统的工作，它需要团队之间的协调合作。现代建筑主要由结构、设备、建筑三大要素组成。因此，在工程施工过程中要明细团队内部分工，并做好团队合作，只有这样才能有机的结合各个构件创造出更加完美的作品。在建筑工程设计阶段，房屋的结构设计和建筑设计是不可分割的，只有协调好两者之间的关系，才能设计出更加美观大方的建筑方案，同时，又降低了建筑成本，简化施工过程，达到既美观又实用的建筑效果。通常建筑设计师在设计建筑时，只是一味的要求设计方案的新奇，而忽略了建筑学中基本的力学关系，这样设计出的方案往往在结构设计上造成困难。因此，团队之间的协调合作是房屋结构优化的重要保障。

4.优化房屋建筑结构，解决房屋抗震问题

房屋结构的优化不仅仅能降低建筑成本、增加建筑美观、简化施工过程，更能加强房屋的抗震作用。通过房屋结构优化技术，可以增加房屋抵抗外部作用的破坏，有效地降低房屋破坏程度。因此，在房屋结构优化设计过程中，抵抗外界各种不良因素的影响成为结构优化设计工作的主要内容。在日常的外界不良因素中，地震是最难以预测且对房屋建筑物破坏最强的，所以在房屋计算及构造上必须加强抗震措施。如：房屋构件刚度的对称性以及均匀性都可以有效的缓解地震对建筑物的破坏；多道防设设计理念可以有效缓冲特大地震对房屋主构件的破坏。以上这些设计思想都是房屋结构设计的重要内容。

四、总结

工程造价对整个工程项目的经济效益起着关键性作用，因此优化房屋结构设计，不仅可以降低整个工程的造价成本，更能提升整体房屋的安全级别。结构设计与建筑设计的协调配合，充分发挥其自身的优势，设计出最优的房屋结构。在平面设计过程中，应遵循对称、均匀的原则，缩小房屋构建质量与刚度之间的差异。在竖直布置上，保证上下承重件负载的上下贯通。建筑是艺术的表现，在保证房屋安全的前提下，结构师应敢于创新，将房屋的实用性与艺术性完美的结合在一起。

参考文献：

[1]侯贯泽，刘树堂.工程结构优化设计理论与方法[J].钢结构，2009，2（8）：148-150.

[2]阳维.房屋结构优化设计方法与问题分析[J].城市建设理论研究（电子版），2012，2（12）：72-74.

优化设计与优化方法范文第2篇

【关键词】建筑结构设计；优化方法；概念设计优化

一个建筑要达到精美的效果，设计师需要把其美观设计与结构设计紧密结合起来。为实现在有限的空间、有限的资源的情况下，发挥出最大效果，最终达到经济化、实用性和适用性的良好目标，在房屋结构设计中，要采取适用、经济、安全、便于施工和美观这五种效果措施。而在房屋结构设计中，应用建筑结构优化设计方法可以满足这一要求，保证建筑美观、造型优美，同时又能够便于房屋的施工，使房屋安全、经济、适用，从而真正成为“经济适用”房[1]。

一、结构设计优化方法的理论基础

在进行工程项目和结构设计的过程中，需要考虑的因素很多，最终目的是要在保证设计对象基本适用功能和安全可靠性的情况下，把设计对象设计到最好的程度。这就涉及到工程和结构最优化的问题。用科学的语言来描述就是：利用确定的数学方法，在所有可能的设计方案的集合中，搜索到能够满足预定目标的、最令人满意的方案[2]。

从建筑理论上分析结构设计优化方法可以得知，结构设计优化方法主要体现在两个方面，其一是房屋工程部分结构的优化设计，其二是房屋工程结构总体的优化设计。后者的优化设计包括：屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。穿插其中的，还包含选型、布置、受力分析、造价分析等项目，在实施过程中，应遵循一定的原则，结合具体工程的实际情况，从实际出发，围绕房屋建筑的综合经济效益目标进行结构优化设计。

在设计安全被保证的情况下，建筑师应开拓创新，挑战新的结构形式。在建筑结构设计的过程中，建筑师的设计意图应能够得到基本满足，应设置尽量符合规则的平面布局，使其对称；同时减少质量中心和刚度中心的差异，使建筑物在水平荷载作用下不致于产生太大的扭转效应。在竖直方向的布置上，应确保在满足功能要求的情况下，尽最大可能贯通竖向的承重构件；为使结构分析和设计上的难度不致于太大，减少不必要的经济浪费，使应力分散，转化层应尽可能少地使用；竖直方向的刚度要渐变，而不要突变，如若不然，在水平荷载作用下，突变处会产生严重的应力集中现象，这是非常不利于结构抵抗水平动力荷载的[3]。

二、结构设计优化技术的意义所在

在房屋结构设计中运用建筑结构设计可以起到非常好的效果，这不仅可以使房屋看起来更加美观，用起来更加实在，而且也能够节省大量的造价，起到良好的效果。采用设计优化的方法与采用传统房屋结构设计方法相比优点是十分明显的，它可以使建筑工程造价得到大幅度降低，降幅可达30%左右。要实现优化方法的技术性问题，材料的性能要合理利用起来，争取协调好建筑结构内部的各单元，达到建筑规范所规定的安全水平。同时，优化方法的技术性实现还可以合理决策建筑整体性方案设计，它可以有效实现建筑设计的经济化、实用性和适用性的良好目标。

三、结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤

（一）结构优化模型

房屋结构整体优化设计方法分以按3 个步骤进行。首先，选择设计变量。一般把对设计要求起主要影响作用的参数作为设计变量，如目标控制参数（结构造价C1 和损失期望C2）和约束控制参数（结构的可靠度PS）；而将那些对设计要求来讲，变化范围不大或是根据结构要求或局部性的设计考虑就能满足设计要求的参数等作为预定参数，这可以大大减少设计、计算和编制程序的工作量；其次，确定目标函数。寻求一组满足预定条件的截面几何尺寸和钢筋截面积以及失效概率，从而使总费用最小；第三，确定约束条件。房屋结构基于可靠度优化设计的约束条件，则包括尺寸约束、结构强度约束、应力约束、变形约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、结构体系约束、从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。在设计中，要使结构优化设计应用于实际房屋结构工程，则是路房屋结构设计中实际的约束条件与目标约束条件相比较，保证各约束条件都符合现行规范的要求，以实现最优设计。

（二）设定优化设计计算方案

房屋结构基于可靠度的优化设计问题属于比较复杂的多变量、多约束非线性优化问题，一般情况下，在计算过程中，应转化问题求解，即将有约束优化问题转化为无约束问题。可以利用起来的优化设计计算方法有复合形法、拉氏乘子法、Powell 法等。

（三）进行程序设计

根据基于可靠度的结构优化模型和选择的优化设计计算方法，编制功能齐全、运算速度快的综合程序。

（四）结果分析

对计算结果进行分析，确定最优设计方案。在上述步骤的执行过程中，涉及的问题包括多个方面，所以要全方位、多角度地考虑。这主要是因为建设投资这项工程的耗资非常大，涉及到的情况非常多，在设计中片面强调经济节约是不正确的。应满足技术上的相应要求，使项目达到相应的功能要求，与此同时，要反对重视技术，轻经济、设计保守浪费的现象。

四、结构设计优化技术在建筑结构设计中的应用

（一）直觉优化（概念设计优化）技术与建筑结构设计

对于同一建筑方案，可以有许多不同的结构布置设计；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法：分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是惟一的：建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断[4]。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。

（二）概念设计处理的实际建筑设计问题

概念设计所要处理的问题多种多样。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或将破坏程度降至最低。因此，分析如何应付建筑物可能遭遇的各种不确定因素成为概念设计的重要内容。其中，地震作用最为难以琢磨，破坏性也最大。故而，建筑设计过程中就应该未雨绸缪，从计算及构造等各个方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法则应尽量避免。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏；多道设防思想能使建筑在特大地震作用下次要的构件先破坏，消耗一部分地震能量。这些抗震设防思想在整个设计过程中都应该作为概念设计的重要指导思想。

总而言之，建筑结构优化设计方法的研究涉及面广泛，具有十分复杂的特点，是一项综合决策问题。适用、经济、安全、便于施工和美观是建筑工程设计优化追求的五种效果，而这五个方面的侧重点各不相同，相互之间又存在一些矛盾的地方，一个优秀设计的出现往往

是这五个方面的最佳结合。所以，在进行建筑设计的实践过程中，应加强实践探索，降低经济成本，以达到经济效益的最大化，从而在保证经节约经济成本和达到美观要求的情况下合理进行结构设计。

参考文献

[1]王智锋，孙之如. 建筑结构概念设计的优化[J]. 河南水利与南水北调. 2010（09）

[2]李锋. 浅谈现代建筑结构优化设计[J]. 科技资讯. 2010（26）

优化设计与优化方法范文第3篇

【关键词】房屋建筑；结构设计；应用

0.引言

随着我国房地产行业的快速发展，房屋建筑的结构设计也在不断响应时代的要求。在房屋紧缺的年代，房屋的实用性是房屋结构设计考虑的最主要因素。如今，时代在变化，对房屋建筑的结构设计的要求从实用性转变成为了实用性与美观性并存。同时对房屋建筑的结构设计还要考虑到房屋施工的时间与材料等一系列因素。房屋建筑的设计理念是房屋施工建设的重要内容，因此房屋建筑的结构设计优化，对我国房屋建筑行业具有重大的现实意义。

1.房屋的结构优化设计模型和设计方案

房屋结构优化设计主要在：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。除此之外，在优化的过程中还要考虑到布置、受力分析、造价分析等方面，对于整体结构优化，最终达到预想的优化目的。在设计的过程中，一定要严格的遵照设计的理念，对于平面的设计一定要规则对称是刚性度有质量中心最大限度的重合，这样对于整体的质量框架能够更加的坚固。结构的优化，可以使工程更加的有保证，对于整体设计理念更加的符合工程的要求。

1.1结构优化设计的函数模型

结构设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤是：设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解。最后，约束条件的确定。

1.2房屋建筑结构设计的方法

（1）当结构平面图在绘制结构平面布置图时，需要输入结构软件进行建模。建筑物根据设防类别、烈度、结构类型和房屋高度进行相应的计算和构造措施要求。

（2）屋顶（面）结构图当建筑是坡屋面时，结构处理方式有梁板与及折板式两种。梁板式适用于建筑平面不规整，板跨度较大，屋面坡度及屋脊线转折复杂的坡屋面，折板式适用于相反的条件。两种形式的板均为偏心受拉构件。板配筋时应有部分或全部的板负筋拉通以抵抗拉力。

1.3房屋建筑的结构优化设计方案

结构优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时，常将有约束条件转变为无约束条件来计算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。

2.结构设计优化在应用中注意事项

结构设计优化主要应用在对于房屋建设的整体规划、地基建设、抗震设计、水电管道设计中都发挥着重要的作用。房屋结构优化可以使房屋的实用性与美观性达到完美的融合，还可以降低工程的运行成本，提高建设效率。但是结构设计优化在应用中还需要注意一下几个方面：

2.1前期方案

前期方案是整个工程运作开始的阶段，也是非常重要的阶段，因为它直接决定了工程建筑的成本预算。如果房屋结构的设计没有与前期方案的制定进行协调，就会造成各司其职，不能完成最后的和谐统一。因此未来的房屋结构设计应该参与到建筑师对房屋建筑的设计中去，互相听取双方的意见，达到利益的最大化。良好的开始是成功的一半，因此前期方案要充分考虑到对结构设计中可能产生的问题，双方深入的讨论，直至达成一致的意见，互惠互利，降低建筑投资总成本。

2.2细节结构设计优化

概念设计应用于没有具体数值量化的情况，设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。

3.结构设计优化的意义

3.1节约建筑成本

对于企业来说，获得利益是最终的目标。获得收益是企业发展的目的，尤其是建筑行业。随着人们对房屋结构要求的提高，以前的工程设计图与施工方案很难满足人们的要求，而且旧的结构设计方式，也会增加企业的成本，使企业获得的收益降低。因此各个建筑行业都要寻求一个两全其美的办法，既能够节约建筑成本，又可以提高企业的经济效益，同时还可以满足人们的需求。这就需要对房屋结构设计进行优化改革。

3.2提高房屋建筑结构实用性

如今土地资源紧缺，经过政府的合理的城市规划，提出了改善房屋结构设计的办法。近年来我国高层建筑鳞次栉比，已经逐渐形成了建筑设计的特色。为了应对高层楼房的现实因素，也需要对房屋建设的总体进行优化设计，提高建筑结构的实用性。房屋的设计要考虑到安全的因素，房屋的层级不同，对施工的要求也会不断增加，相关材料的使用标准也是不同的。房屋结构设计的优化要考虑到流水管道的排列问题，电线在墙体的走向问题、媒体管道的安置问题、还有地热供暖管道的排列问题等等。同时房屋结构设计者还要考虑不同楼层的采光条件，还有室内格局。好的格局也是人们选择房屋的关键。各种实际问题都构成了房屋建筑的实用性问题。因此对房屋结构设计的优化，可以很好的解决上述问题带给人们的困扰，提供给人们一个安心、舒心的住宅环境。近年来，人们对住宅的美观性也在不断提升，这跟房屋的格局，和整栋楼房的整体形态有关，为了不断适应市场经济的发展要求，满足人们的各种需求，要求我们要对房屋建筑结构进行优化与应用。

4.结语

对于房屋建设来说，房屋的结构设计尤为重要，优化结构设计可以节约房屋建设的成本，提高房屋建设的效率，不仅可以提高专业技术的指标，而且还能符合广大受众的需求。本文通过对房屋结构设计优化的模型和设计方案，提出了一些好的措施，针对现行的房屋结构设计在实际应用中存在的问题，提出相应的解决方案。房屋结构设计优化可以设计出更合理的房屋建造模式。满足人们对房屋结构的要求，设计出高质量、安全、舒适、健康的生存环境。推进我国建筑行业向更广阔的方向发展。 [科]

【参考文献】

优化设计与优化方法范文第4篇

课程改革的一个重要目标是追求教与学的高效，为了达成这个目标，导学案辅助学生自主学习便应运而生。教师希望通过导学案将学生的学习前置，使学生在课堂上有备而来，从而达到高效学习的目的。但在教学中却发现有的导学案问题设计随意，缺乏科学性和系统性。这样的导学案用于导学，只能让学生费神，从而导致预习达不到预期效果。笔者希望通过透视学案问题设计中的误区，找出问题的症结，进而为政治学科导学案的优化提出自己的思考。

一、高中政治学案设计中的误区

1．导学案问题设计习题化。有些教师将导学案“知识问题化”误解为“知识习题化”，于是导学案被异化为习题的堆砌，完全丧失了导学案的价值和功能。例如，高三年级政治导学案摘录。问题1：财政和货币政策的运用(C)2013．山东卷2012年，我国综合运用各种手段对国民经济进行调控，实现了预期调控目标。下列调控目标、调控政策、具体措施三者对应最恰当的是()A．控物价——稳健的货币政策——严控对高能耗、高污染行业的贷款。B．稳增长——积极的财政政策——减轻服务业和小微型企业税收负担。C．调结构——积极的财政政策——下调金融机构一年期存贷款基准利率。D．惠民生——稳健的货币政策——加大对战略性新兴产业的财政支持力度。

导学案不排斥习题，但导学案绝不是习题的堆砌。所以设计学案要有提炼问题的意识和能力。

2．导学案问题设计简单化。导学案问题设计简单化主要表现在：问题设计思维含量低，例如，宏观调控的手段有哪些？市场调节缺陷有哪些？这样的问题，纯碎为了知识记忆而设计，学生只需要在书本上找找答案，就能回答，问题设计思维含量低，不能引导学生去自主思考和探究，体现不出学生的思维。如果改为：“材料中政府运用了哪些宏观调控的手段？材料中体现了市场调节的哪些缺陷？”这样把问题融入到材料中，结合材料考察学生运用知识的能力，学生只凭死记硬背无法完成，必须要进行思考才能解决。

3．导学案问题设计模糊化。导学案上的问题设计形式古板单一，缺少导学应有的层次化，学生的思维受到导学案问题的影响，被束缚在十分狭小的空间，思维水平的提升受到制约。教师在设置探究问题时要围绕学习目标，设计出能激发学生主动思考的问题，使问题具有层次性。如在学习政治生活《政府的责任：对人民负责》一课时，政府对人民负责的原则是本课的重点问题。设计问题时应从是什么、为什么、怎么做这三个层面进行。这样的设问，层次清楚，步步深入，容易激发学生探究的欲望。这样的安排虽然打破框题限制，但适合学生的知识基础，并与已有的知识技能相联系，既符合学生的认知规律，也符合知识的内在逻辑联系。

二、高中政治学案优化设计的方法

1．问题设计要层次化。自主学习的问题是导学案的主要内容。探究问题要分层设置。问题的层次性，是指学案的学习内容安排要符合学生的认知规律，知识的生成规律，做到先易后难，循序渐进。课堂探究的问题要有思维的梯度，体现由易到难，能引导学生由浅入深、层层深入地认识知识、理解知识，掌握知识。如“我国的政党制度如何？”很明显，这个问题范围过大、太笼统，学生遇到这样的问题很难完成。这时，教师可将这个问题在学案上尽一步细化为：问题一、我国政党制度的内容有哪些？问题二、我国政党制度的优越性如何？问题3：公有制的主体地位如何体现？问题4：国有经济的主导作用如何体现？

2．问题设计要情境化。好的情境材料不仅有利于激发学生的学习兴趣，更有利于学生去积极思维，快速地提取相关信息，从而得出正确的结论。如在讲授价值判断和价值选择的主体性时，教师可提供诗句：“桑条无叶土生烟，箫管迎龙水庙前。朱门几处看歌舞，犹恐春阴咽管弦。”让学生去自主学习。生思考：在同时同地农民和地主的价值选择为什么会不同？学生很自然想到他们的阶级不同，需要不同，所以会做出不同的价值选择。在学案设计中，如果我们只是直接地去向学生提供探究的问题，学生会感到茫然而无从下手。

3．问题设计要具体化。学案要学生学有目标，更要使学生会学，这样学生才能想学。学生在使用学案进行自主学习时，设计的每个问题后面都能找到老师精心设计的学法，这样学生自学的效果显著提高。导学导思的内容形式多样，内容不限，只要能有助于学生的自主学习即可。例如，学习文化生活第四课《文化的继承性与文化发展》一课，对待传统文化的正确态度是本课的重点问题。在学案设计时可以结合“二十四孝图”的故事，进行辩证法分析。学生通过自主学习认识到孝敬父母是中华民族传统文化的精髓，应该提倡；但“二十四孝图”中的“刻木事亲”“埋儿奉母”的故事让人感到冷酷无情；“孝感动天”“卧冰求鲤”“哭竹生笋”迷信思想严重；这些具体做法不可取。因此，对待传统文化一定要做到取其精华，去其糟粕。这样有利于学生学会正确分析的方法，提高了学生全面、辩证分析事物的能力。

优化设计与优化方法范文第5篇

关键词：隔膜泵；隔膜腔；机械强度；ANSYS

中图分类号：TH323 文献标识码：A

作为高压隔膜泵液力端的核心部件，隔膜腔在输送固液两相流体过程中起到了非常重要的作用。隔膜腔用于连接隔膜室盖、进料阀和出料阀，因此隔膜腔的设计过程中需要考虑流体压力、螺栓预紧力和其他因素的影响。本文以某大型高压隔膜泵中隔膜腔为研究对象，基于有限元方法对隔膜腔进行了静力强度分析。通过ANSYS的后处理分析模块获得了隔膜腔的应力分布，扭曲和应力线性化结果。根据ASME VIII-2标准对隔膜腔的机械强度进行了校核，并在此基础上对隔膜腔的结构进行改进设计。分析结果可为隔膜腔的结构优化设计和降低成本提供一定的理论基础。

1 有限元模型的建立

图1（a）给出了隔膜腔的剖面图，从图中可以看出两个内腔圆角和最小壁厚分别用R1，R2和d表示。通过三维设计软件SolidWorks画出隔膜腔的1/4对称模型，如图1（b）所示。隔膜腔的材料采用ZG20Mn，材料属性如下：拉伸强度σb为510MPa，屈服极限σs为295MPa。根据ASME相关标准，材料的许用应力可通过下式计算出来。

Sm=min（σb/2.4， σs/1.5）（1）

将SolidWorks建立的隔膜腔几何模型输出为SAT格式档并导入有限元分析软件ANSYS，在ANSYS的前处理模块对隔膜腔划分网格。应力集中区域需要局部网格加密，最后获得隔膜腔有限元模型的单元数为173812，节点数为36952。根据隔膜泵实际的工作状态，定义隔膜腔的边界条件和载荷如下：隔膜腔的对称面施加对称边界约束，定义隔膜腔和隔膜室盖螺栓连接处施加600000N的预紧力，隔膜腔和出料阀螺栓连接处定义80000N的螺栓预紧力，隔膜腔内受液体压力的面施加20MPa的压力。图2给出了隔膜腔的载荷约束图。

2 应力分类及强度评定

图3给出了隔膜腔的Von Mises应力图和位移云图。从图中可以看出最大应力出现在隔膜腔的相贯线处。根据ASME VIII-2标准，定义了用于强度校核的四条线性化的应力计算路径，如图4所示。选择这些路径的原理如下：沿着壁厚的方向，根据最大应力节点定义一条或多条应力计算路径。应力线性化计算路径还应当在隔膜腔的应力集中区域进行定义。

根据应力产生的原因、应力集中区域和应力的性质，压力容器应力可以大致分为：主整体膜应力（Pm），主局部膜应力（PL），主弯曲应力（Pb）和次应力（Q）。利用这些应力和如下的校核方法可对隔膜腔的强度进行校核：主总体膜应力的等效值应当小于金属材料的许用应力（Sm）。考虑到应力的位置，主局部膜应力的等效值应当小于1.5倍材料许用应力（1.5Sm）。根据极限载荷设计理论，当膜应力和弯曲应力同时存在时，他们的和应当小于1.5倍的材料许用应力（1.5Sm）。更进一步考虑次应力的限制条件时，Pm（PL）+Pb+Q应当小于3倍的材料许用应力（3Sm）。

通过ANSYS的后处理模块，画出了沿着四条应力计算路径的等效应力变化曲线，如图5所示。四条应力计算曲线的最大等效应力列在了表1中。

表1 不同路径的最大等效应力

路径 薄膜应力（MPa） 薄膜+弯曲（MPa） 总应力（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

将表1中的应力数据带入应力校核公式，可获得隔膜腔的应力校核结果，如式2-5所示。结果表明隔膜腔的应力满足强度使用要求。

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）

通过修改隔膜腔的结构来优化隔膜腔的结构并降低制造成本。结构的修改方法如下：保持内腔几何尺寸不变，壁厚减小30mm，修改结构前后的模型对比如图6所示。

根据相同的应力分析方法，用ANSYS软件对修改结构后的隔膜腔进行应力分析。修改结构后的隔膜腔的应力线性化路径的定义位置与改结构之前的位置相同。修改结构的隔膜腔的最大等效应力列在表2中。

表2 不同路径的最大等效应力

（修改结构）

路径 薄膜应力（MPa） 薄膜+弯曲 （MPa） 总应力（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

根据表2中的等效应力，按照ASME VIII-2标准对隔膜腔的强度进行校核，可以看出修改结构后的隔膜腔同样满足强度要求。

3 结论

通过对用于远距离管道输送的某型隔膜泵隔膜腔的应力分析和校核，可得到如下结论：

可通过有限元分析软件ANSYS对隔膜腔进行静应力分析，并且获得了工作压力下隔膜腔的最大应力位置和最大应力值。

根据ASME VIII-2标准中对应力的分类，在隔膜腔1/4对称模型上定义了四条不同的应力线性化计算路径，并且通过ANSYS后处理模块获得了等效应力变化曲线。隔膜腔的机械强度通过相关的应力校核方法进行了校核，结果显示修改结构前后的隔膜腔结构均满足强度要求。

通过减小壁厚获得了一种新的隔膜腔结构，新结构通过校核满足强度使用要求，通过比较结构，发现新结构减小了重量，降低了制造成本。

参考文献

[1]ANSYS help. USA： ANSYS company，2010.