机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (11): 399-415.doi: 10.3901/JME.260604
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赵志军1, 荣见华2, 赵磊3, 蔡金虎2, 易继军2, 周泉4
ZHAO Zhijun1, RONG Jianhua2, ZHAO Lei3, CAI Jinhu2, YI Jijun2, ZHOU Quan4
摘要: 地震作用是结构设计时需要考虑的一种重要荷载作用。为研究考虑应力约束的板壳结构抗震拓扑优化问题,构建了地震作用下结构壳单元最大振型反应平方和开方(Square root of the sum of squares,SRSS)的应力凝聚函数表征格式。为准确描述应力的导数,考虑结构等效模态力以及振型的导数项,推导了SRSS的应力凝聚函数的导数。同时,构建了多项分式有理式刚度矩阵惩罚模型,结合伪模态处理措施,较好的解决了板壳结构拓扑优化的局部伪模态问题。采用基于密度过滤技术、Heaviside映射方法的三场方案和SIMP (Solid isotropic material with penalization)插值方法,构建地震荷载作用下以结构模态柔度总和为目标函数、体积约束和多个SRSS应力凝聚函数约束的板壳结构抗震拓扑优化模型。将优化模型转化为能保证应力和体积约束有效的近似优化模型,并采用移动渐近线方法对近似优化模型进行求解。算例结果表明:结构拓扑构型不同会导致等效模态力分布差异;地震荷载下的结构应力场与结构质量分布、振型和等效模态力相关,在优化模型中考虑等效结点模态力和振型的导数更合理;采用提出的方法可以获得满足体积约束和结构SRSS应力约束的清晰的序列0/1分布板壳结构,解决了板壳结构优化中的局部伪模态问题,验证了所提出方法的正确性和有效性。
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