基于ANSYS APDL的某输电塔塔架 结构尺寸优化设计

    特别声明：本次优化是基于ANSYS 经典 Design OPT 模块，在ANSYS14.0版本以后，该模块已经被移植到WB中。所以要完成本文类似的过程，需要安装14.0以下的版本。

    温馨提示：如果电脑上有安装14.0以上的版本，在安装其他版本时（限11.0~13.0），直接安装产品本身即可，无需卸载了再重新安装旧版本，也无需重新安装证书，高版本的证书支持低版本。

    近年来，电力行业的快速发展推动了输电线路铁塔行业的发展。输电线路铁塔，按其形状一般分为：酒杯型、猫头型、上字型、干字型和桶型五种。本案例以一桶型输电塔塔架为例，对其进行尺寸优化分析，简要介绍采用ANSYS Design OPT进行优化分析的一般步骤。

    某塔架塔高51m，底部开间23.16m，顶部开间8m，结构主材采用Q420、Q345和Q235三种角钢，钢材材料密度取 7850 kg/m³,弹性模量取205GPa。采用link180单元模拟各个杆件，各个杆件的截面面积通过实常数的方式进行赋值，结构底部固结。结构有限元模型如下：

    结构所受荷载主要为风荷载与结构自重，风荷载简化为集中荷载作用于节点上，且与塔架成45度，为方便加载，将45度风荷载简化为X方向和Y方向的水平荷载，加载示意图如下：

    结构在自重和风荷载作用下的位移云图如下所示：

        

    按照甲方要求，需要对该铁塔进行结构尺寸优化，优化相关要求说明如下：

    结构优化目标：结构塔重

    结构优化变量：结构底部开间尺寸，结构顶部开口尺寸

    结构优化限制：1) 优化尺寸变化范围为原结构尺寸的正负10%

                  2) 优化后结构最大位移不能大于优化前结构位移

                  3) 结构杆件最大应力不能超过材料应力屈服强度

                  4）优化后的结构第一阶自振频率应大于优化前的第一阶自振频率

    按照上述变量，分别设定了优化分析所需要的设计变量、状态变量、目标函数，优化部分的命令流如下：

/opt
opanl,jianmo,mac

！状态变量
opvar,max_u,sv,,21.33,0.1
opvar,frquency,sv,,5.34,0.1
opvar,ZLmax1,sv,,420,1
opvar,ZLmax2,sv,,360,1
opvar,ZLmax3,sv,,235,1

！设计变量

opvar,A,dv,20844,25476,5
opvar,B,dv,7200,8800,5

！目标函数

opvar,objwg,obj,,,0.01

！文件名称

opsave,INITIAL,opt 

！优化设置

OPLOOP,PREP,PROC,ALL
OPPRNT,FULL
OPKEEP,ON 

OPTYPE,FIRS
OPFRST,50,50, ,                                   
opexe

    采用ANSYS自带的一阶算法进行优化计算，在计算15次后结构达到容许误差，优化结束。计算过程如下：

    通过上图可知，结构尺寸从开始的23160、8000优化为22900、7200，结构自重从最初的40.744t减为39.723t,可见优化率并不是很高，略为2.5%。从经验来讲，这比较正常，因为一级塔减少的比较少，但整个项目系列涉及此类结构到达100多个，累积起来效果还是可观的。

    下图表示结构自重随迭代次数的变化关系：   

       结构自重随下部开间尺寸的变化关系：

        结构自重随顶部开间尺寸的变化关系：

     从上图可见，结构自重随着底部开间尺寸的增大而增大，而对于顶部开间尺寸，在8米处会有一个明显的折断趋势。

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