摘 要摘 要空间桁架结构因为其结构简单、承载能力强、刚度好而被广泛应用在各种工程领域当中。为保证每根杆件承载最大，使得结构整体能够满足各种负载的要求，并且所用的材料最少，质量最轻，有必要对桁架结构进行优化设计。本文首先结合结构力学、优化设计理论、有限元方法对桁架结构的设计进行了探讨，然后根据给定的材料和设计要求，对焊接桁架结构进行合理的设计。由于结构的设计具有多样性，为了快速实现设计方案的分析和对比，因此本文基于ANSYS Workbench有限元分析软件，首先建立出结构模型，并且为结构选择合适的材料，对单位参数进行合理设置，然后施加固定约束和载荷，实现结构的仿真实验。经过大量的计算分析和逐级优化设计后得到最优的桁架结构，并确定焊接方案，完成优化设计后桁架结构的焊接。该桁架结构的承载力测试实验证明了利用有限元软件进行桁架结构设计和分析的方法是行之有效的。本文所做出的工作，对实际工程桁架结构的设计具有一定的参考价值。关键词焊接桁架；结构的优化设计；有限元分析；ANSYS Workbench
目 录
第一章 绪论 1
1.1 本课题研究背景和意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 1
1.2 桁架结构介绍 2
1.2.1 概述 2
1.2.2 桁架结构的受力形式 2
1.3 桁架结构优化设计的发展及方法 3
1.3.1 桁架结构优化设计的发展 3
1.3.2 桁架结构优化设计的方法 4
1.4 本课题的研究内容 7
1.5 本课题的研究方案和技术路线 8
第二章 有限元分析软件在结构设计及优化的应用 10
2.1 有限元法及有限元分析软件简介 10
2.1.1 有限元法简介 10
2.1.1 ANSYS软件简介 11
2.1.2 Workbench的介绍 11
2.1.3结构分析 13
2.2 有限元中以正四棱柱为例的分析步骤 14
2.2.1 ANSYS操作步骤 14
2.2.2 ANSYS Workbench中的操作步骤 17
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第三章 桁架结构的设计及焊接 22
3.1 桁架结构承力面的形状的设计 22
3.2 正四棱柱桁架结构逐级添加腹杆的优化设计 25
3.3 最优桁架结构的尺寸说明 33
3.4 焊接方法选择和实施方案 34
3.4.1 桁架焊接的影响因素 34
3.4.2 桁架结构焊接方法特点的对比和选择 35
3.4.2 焊接材料的选择 36
3.4.3 焊接过程 37
3.4.4 焊接桁架的处理及实验测试 38
结 语 39
致 谢 40
参 考 文 献 41
第一章 绪论
本课题研究背景和意义
研究背景
焊接桁架结构被用在工程结构中的各个领域的。在建筑结构和土木桥梁等工程中总可以看到这种结构的存在。由于桁架结构的自身重量比较轻，所以经常被用作大跨度的承重结构[1]，例如装卸桥的桥架，塔式起重机的塔身，各类壁式旋转起重机的臂架，架桥机、打桩机和钻孔机的导轨支架及运输栈桥等都采用了桁架结构[2]。此外，在输电线路中使用的电线塔和天线等空间结构，桁架结构也发挥着不可替代的作用。在现实生活中，桁架结构因为作为承受载荷的主要部件而被广泛地应用，在许多研究的方向和内容当中[3]，工程人员最关注的是对桁架结构进行静力学强度的分析。优化对于结构设计而言，就是指在满足约束条件（设计要求）情况下，按一定的评价指标寻求最佳的设计方案，评价指标可以是结构的重量、造价等。现如今，随着有限元理论飞速地发展了起来，许许多多有限元软件也在越来越多地使用在各个领域[4]，有限元分析也慢慢成为对结构进行强度的分析当中一种重要的分析方法。
研究意义
桁架结构的设计在工程设计当中发挥着不可或缺的重要作用，一个结构设计的好坏，最首要的是要确保所设计出结构的安全可靠，工艺性良好[5]。除了这些之外，还应当把这种结构的经济性和结构造型的美观性考虑在内。在进行结构设计时，要把可靠性作为前提，把实用性作为设计的核心内容，此外，工艺性和经济性是结构设计的制约条件。除了这些，还应当尽可能减少焊接的作业量，并合理地布置焊缝，控制热输入量，最大程度地减少变形。这样才能使设计出的焊接结构满足强度、刚度和稳定性等要求。
在桁架结构中，各个杆件之间能够有效地相互支撑，从而增大结构的刚度，而且还能够明显的提高杆件的抗震能力，所以它能够承受得住来自多个方向的载荷。通过对结构的优化设计，能够使得整体结构更为简单，拆装也会变得方便，运输也会更便捷，基于以上的这些优点，桁架结构能够被应用在各种工程中各个领域当中，比如说航空航天、土木建筑以及起重结构等。在桁架结构当中，各根杆件的受力状况都不相同，同时，它们的应力状况也不完全相同，所以，基于这些考虑，要更为合理地对桁架结构进行设计，使得桁架在满足多种约束的条件下，各个杆件能够最大限度的承受载荷，在这种情况下，才能使承载力更为合理地分配到各根杆件，从而实现最大程度的减轻结构的重量[6]。
虽然在目前的一些工程的设计当中，对桁架结构进行设计和优化的思想已经被应用，但是这种思想没能够被广泛地应用。即使处在这样的情况下，优化设计的方法伴随着科学技术飞快地发展的同时也在被逐步地完善、发展和更新，同时也在越来越广泛地应用到工程实践之中。本课题利用有限元分析软件对给定条件下的焊接桁架结构进行优化设计，提出逐级优化方法得到优化的桁架结构，研究结果为工程桁架结构的优化设计提供了手段。
桁架结构介绍
概述
桁架结构又称杆系结构，它们杆件的长度远大于它的宽度与厚度，将杆件按照一定的规律组成几何不变的结构，并且在结点位置，通过焊接工艺实现连接，这样组成的结构能够承受横向弯曲的载荷。焊接桁架结构被广泛的应用在建筑桥梁、起重机、高压输电线和广播电视发射塔等各个领域。此外，由桁架所承受载荷大小的不一样，桁架结构可分成普通桁架、轻钢桁架和重型桁架。根据桁架的外形轮廓不同来分，桁架可分为三角桁架、平行桁架、梯形、人字形和下撑式桁架等。
桁架结构一般由上弦杆、下弦杆和腹杆三部分组成。对两端简支的屋盖桁架而言，当下弦无悬吊载荷时，以人字形体系和再分式体系较为优越；当下弦有悬吊载荷时，应采用带竖杆的人字形；桥梁结构中多用三角形和带竖杆的米字型体系；超重机和塔架结构多采用斜杆或交叉杆体系。
桁架结构的受力形式
在桁架结构中，上弦杆主要承受压弯力，并且以压应力为主，特别是在在其上部承受较大的压应力，所以，构件在受压时应当具有一定的稳定性，结构部件应当被连接成为一个整体。下弦杆主要承受拉弯力，并且以拉应力为主，结构相对来说比较简单。由此比较能够看出，上弦杆和下弦杆的截面形式基本相同，在受力情况不同时，主受力板的位置会随之相应的变化。腹杆的截面形式和上下弦杆截面形式也大体上一样，腹杆主要承受的是轴心拉力或者轴心压力，因此，腹杆界面的截面形式应该尽量对称，其中，双壁截面类型常常用于重型桁架当中，其承受的内力比较大[7]。

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