優化設計范文

導語：如何才能寫好一篇優化設計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞 輕卡 貨箱 設計

中圖分類號：U469.2 文獻標識碼：A

輕卡是載類貨車的一種類型，根據車型分類，卡車的最大涉及總質量必須要小于3.5噸，近年來，隨著計算流體力學的廣泛應用，為輕卡貨箱優化設計提供了重要依據。本文以計算流體力學為基礎，建立模型并研究其外部流場結構，最終采用混合整型優化法對輕卡貨箱進行了外形優化設計，具體探究了輕卡貨箱與輕卡駕駛室之間的間隙，車廂高出駕駛室的高度，在滿足輕卡制造要求的前提下，使得汽車空氣阻力最小，提升了輕卡貨箱的設計水平和質量，推動我國載貨車的設計和制造水平不斷提升。

1模型建立

文中對輕卡貨箱模型進行建立時，采用的是CATIA軟件建立三維 CAD模型，以較少的成本，將車身結構進行簡化，并且最終要保證計算的結果正確、可靠。因此，在模型設計和建立中，要設置好具體的計算參數，當汽車以每小時80公里的速度行駛時，在正前方的氣流作用下，要保證汽車的前臉、車軸正面、車輪以及車廂高出駕駛室的部分形成一種正壓區，這就形成了汽車在正常行駛過程中的空氣阻力，此外，研究汽車在行駛中的氣動阻力，由汽車前臉的過渡區和前擋風玻璃到車頂的過渡區，當出現流速過大時，在過度區就產生了在附著和氣流分離，總體來說，影響輕卡車廂設計主要是車廂高出駕駛室的高度和車廂與駕駛室的距離，只有設計好這兩大方面，才能最大程度減少空氣阻力和氣動阻力，此外，在設置好相關參數后，還要建立響應面模型，基于響應面法的作用下，通過近似構造一個能夠明確表達形式的多項式，在對多個變量影響因素進行綜合分析和研究后，最終達到優化設計的目的，提高輕卡貨箱設計的科學性和安全性。

2樣本設計

為了提高輕卡貨箱樣本設計的有效性，在設計過程中必須要選擇好目標函數，確定出試驗因子和目標函數之后，采集到所需要的樣本數據，以此來建立應面模型。設計人員具體選擇一種快速、經濟且高效的試驗設計方法，文中具體采用拉丁超立方設計，這種設計方法的優越性表現在：對水平值分級寬松，有效的空間填充能力，減少了試驗的次數。根據拉丁超立方設計得到設計變量后，需要對設計好的模型進行修改和完善。設計人員依據迭代計算進一步優化設計結果，當輕卡貨箱的高度越小時，其設計越合理，此外，針對貨箱和輕卡駕駛室之間的距離，一般要保持一定的間隙，提高樣本設計的合理性。

3優化設計結果

根據上述設計參數值和設計模型，修改和完善輕卡貨箱的高度和貨箱與駕駛室之間的距離，當貨箱的高度降低時，氣流流動不會被阻礙，氣流一般通過貨箱的上方順利流過，這樣就大大降低了空氣的阻力，且不會產生二次分離，另外，在研究貨箱與輕卡駕駛室之間的距離時，由于駕駛室的形狀是上窄下寬，這時候在設計時要將兩側氣流流到貨箱，且之間要存在一個過度區域，其目的是輕卡貨車在正常行駛中，減少空氣的阻力，確保氣流順利通過?？傊?，在對輕卡貨箱進行優化并設計時，重點把握好輕卡貨箱與輕卡駕駛室之間的間隙和車廂高出駕駛室的高度。使得汽車空氣阻力最小。

4結語

綜上所述，為了提高整車空氣動力學性能，優化CFD效率，因此，探究、分析輕卡貨箱優化設計具有十分重要的意義。筆者通過自身多年實踐工作經驗，以及自身對貨車設計要求的了解，提出從模型建立，樣本設計及優化設計結果具體進行，通過分析輕卡外流場特性和汽車在正常行駛下的氣動阻力，最終研究結果表明：輕卡貨箱的高度越小其設計越合理，設計人員在設計輕卡貨箱時，在滿足使用要求的前提下，可以盡可能的降低其高度，此外，可以適當加大貨箱與駕駛室之間的距離，確保氣流能夠順利流過，將二者之間的距離看作過度區域，以合適的間隙來減少空氣的阻力，希望通過本文的介紹和分析能夠進一步提升輕卡貨箱設計的合理性和科學性，不斷提升我國載貨車型設計和制造水平。

參考文獻

[1] 程華揚，張代勝，薛鐵龍.輕卡外流場數值模擬及貨箱優化設計[J].汽車科技，2014（03）.

[2] 張炳力，薛鐵龍，柴夢達.輕卡外流場數值模擬及附加井字形格柵優化設計[J].合肥工業大學學報，2014（12）.

[3] 史朝軍，張勝蘭.自卸車貨箱多學科優化設計[J].湖北汽車工業學院學報，2013（03）.

篇2

關鍵詞：幕墻工程，投標；優化設計

中圖分類號：TU723.2文獻標識碼： A 文章編號：

建筑幕墻作為一個新興的行業，近年來逐漸被社會認可，并在建筑外裝飾工程當中得到廣泛的應用。

在我國現階段，幕墻的招標方式，大都采用技術分與商務分總評的綜合評標法。作為招標方，大多數對低報價感興趣。而投標單位為了中標，必然會權衡技術競爭力與價格競爭力的因素。在日益建筑幕墻造價的壓力和經濟因素作為首要考慮因素下，為了提高投標的競爭力，以低價打動業主的同時也要保證項目獲得較好的建筑效果。因此，要求我們設計師構思一種構造簡明、性能卓越、價格合理、易于加工、方便安裝的設計。從整體來考慮，設計師不但要權衡各項參數，考慮設計目標、各項構件的作用、經濟因素等的影響，還要考慮施工安裝的分項過程、工序分解和降低成本的各組因素。而最終與這些因素掛鉤的是工程項目造價。

工程項目造價的控制應貫穿于項目建設的全過程，它是建筑產品的總造價，是反映建筑產品的經濟效益、社會效益非常重要的綜合指標。而在初步設計階段影響的可能性約50％-80％，由此可知，項目投資的關鍵在于施工前的決策和設計階段，而項目決策后控制項目投資就在于設計控制。

通常情況下我們把設計階段為兩個階段，即初步設計（包括技術設計）階段和施工圖設計階段。初步設計階段是控制基本建設投資規模和工程造價的最主要環節之一?，F在就建筑幕墻工程設計階段的優化設計以及成本控制方面談談自己的一些心得與見解。

現階段，大部分的大型幕墻工程項目業主方都會請顧問公司來進行招標圖設計。作為投標方，主要的任務是對招標文件和招標圖的理解、響應應及報價，最終能否報出一個具有競爭力的報價，其中優化設計尤為重要。所以優化設計是技術設計階段成本控制的有效辦法，也是投標過程中重要的環節。

優化設計，牽涉到的環節很多，其中主要體現在以下幾方面：

一、對項目的理解和定位，

二、與業主及設計院的密切溝通，

三、系統構造優化以及優化細節的把握，

四、對相關材料的認識與應用等等……，

個人認為，只要做好以上幾個方面工作，作為投標方，是能做出一個價廉物美、富有競爭力的報價。

一、對項目的理解和定位

對投標的建設項目定位要準確。在制定優化設計方案前我們應當充分與業主溝通，在業主允許的條件下，根據該建設項目的功能、建筑檔次及業主的經濟實力策劃出一套行之有效的優化設計方案。它主要包括幕墻工程的種類、結構形式、不同材料組合及材料品牌檔次。

我們知道，建筑幕墻工程結構形式和材料種類較多，如單元式、框架式，全隱框幕墻、半隱框幕墻、明框幕墻、全玻璃幕墻、點支式玻璃幕墻、金屬幕墻、石材幕墻等，這些因素直接影響工程的外裝飾形象和工程總造價。在對工程定位時，我們應避免一味追求高檔次結構和材料，致使工程造價超出業主工程概算，無法做出一套合理的報價。同時又要避免采用落后結構降低工程檔次，從而影響工程形象，因此應該因工程而宜準確地將其定位在適當合理的檔次上。通過對項目的理解和定位，投標方的投標成果業主可能更易于接受，從而提高投標的中標率。

二、與業主及設計院密切溝通

在方案設計中我們應當科學合理的尊重建筑師的設計。但在方案優化設計過程中，我們經常發現原建筑設計要求與現行建筑幕墻行業規范不符，又或者原建筑設計存在很多不合理和嚴重浪費的情況。這時，我們應當以幕墻專業設計的角度及時準確地與業主和設計院溝通，使他們更深刻地了解我們的技術能力和水平，也讓業主感覺到我們是站在他們的立場為他們解決問題，降低成本。同時，對于一些可改可不改但又影響成本的設計，我們應該及時與業主和設計院溝通，說明其利害關系，一來取得了業主的信任，二來可以有效減低投標造價，為方案優化設計和中標打下良好的基礎。

三、系統構造優化以及優化細節的把握

在對項目有準確的理解和定位，與業主及設計院有良好溝通的前提基礎上，接下來就是很關鍵的一個環節----系統構造優化以及優化細節的把握。首先，在優化工作進行之前，我們先要明確可優化的范圍和項目。這個要求我們的設計師要熟讀招標文件、技術文件以及相關的答疑文件。一般來說，完善成熟的招標項目都會有統一的優化框架和平臺。因此，項目投標能否報出富有競爭力的報價，就要求我們設計師對系統構造優化以及優化細節有很好的把握。

系統構造優化，以國外一些大型幕墻顧問公司出的招標圖紙為例，他們的要求基本都是在不改變原有設計方案的前提下進行深化設計報價的。對于類似的幕墻設計顧問，我們在優化設計的時候就要做到膽大心細。首先，無可否認，他們的設計方案經過多年的沉淀和實例工程驗證是成熟的。根據多年來和顧問打交道的經驗，設計師如果在投標的過程中改變了他們的設計方案，接下來一般會遇到不少麻煩，最后基本還得改回他們的設計方案。

因此，我們在投標優化設計的時候，精力盡量不要放在修改他們的設計方案上面。當然，如果顧問要求提供備選設計方案及報價的情況除外。其次，他們可視部位的外觀尺寸基本也不能改變，因為建筑師是非常痛恨別人修改它的外觀尺寸。在這樣的情況下，我們能做的是想辦法在基本設計方案不變、外觀尺寸不變的前提下完成優化設計。雖然也有不少顧問也要求不能改變構件的壁厚，避免發生安全事故。其實不然，在眾多投標項目看來，系統構件的壁厚大部分都是可以優化的，譬如橫梁、立柱等受力構件，在保證外觀尺寸、滿足結構受力安全的前提下，設計師可以根據規范的要求合理進行優化。特別在一些裝飾性的構件上面，顧問公司常常做的異常的笨重繁瑣和耗料，這是我們設計師優化設計的方向，但前提是保證外觀尺寸。同時，在系統細部構造方面，特別是系統的內部構造，由于外觀尺寸已經是不可以改變的，那簡化內部的構造以及壁厚的優化尤為重要。但前提是保證系統的物理性能、使用性能不受破壞的前提下進行。最后，對一些在不可視區域的構件，大膽考慮，包括截面、壁厚、做法等都是進行優化設計的，畢竟在不可視區域，顧問不會非常敏感，前提是我們的做法合理、安全、先進，顧問都基本能接受。

優化設計細節，這個是設計師綜合能力的體現，要求我們對設計以及優化的每個細節做到細處，在滿足建筑師以及結構安全的前提下，把系統做得更加簡潔、合理，體現出更高的性價比，而最終體現在更富有競爭力的報價上面來。

我們知道，幕墻的成本主要構成部分為材料成本，而材料成本一般主要是鋁合金型材成本。鋁合金型材的成本取決于幕墻的設計，不同的幕墻形式，其造價會不同。而相同的幕墻形式，不同的設計方案，工程造價也是不一樣。如何合理的去設計和優化幕墻的鋁型材，降低材料使用是我們每個設計師都要面臨的問題。

首先從大方面來說，對不限制型材截面和做法的工程項目。以一棟高層建筑，單一的幕墻系統做來例子，常規的做法是至上而下都是用同一個幕墻系統，立柱及橫料都是用同一截面。但從經濟成本的角度來說，這樣的做法是不夠合理的，因為，在不同建筑標高對應著不同的風壓，風壓不一樣意味著幕墻系統承受著不同的荷載。所以，我們可以考慮在不同建筑標高段采用不同的型材截面，這樣做雖然增加了開模的費用，但對應高層建筑項目來說，鋁型材的用量巨大，通過這種方式反而使鋁型材的用量大大減少了，降低工程造價成本。

大家知道，規范對鋁合金立柱和橫梁的壁厚是有規定的。對鋁合金立柱，截面開口部位的厚度不應小于3.0mm，閉口部位的厚度不應小于2.5mm。在設計的時候要充分考慮由此帶來的型材用量的變化。而對鋁合金橫梁，當橫梁跨度大于1.2m的時候，橫梁截面主要受力部位的厚度不應小于2.5mm，當橫梁跨度小于1.2m的時候，橫梁截面主要受力部位的厚度不應小于2.0mm。這個很關鍵，譬如我們在設計一個幕墻分格的時候，橫向分格盡量尺寸不要大過1.2m，以接近1.2m為宜，這樣可以達到更好的性價比，鋁型材用量更少。

鋁合金裝飾構件，分小裝飾構件和大裝飾構件。它們一般只有裝飾或遮陽的功能，基本是不參與結構受力的。小構件譬如扣蓋、裝飾封邊等，在自身強度足夠、平面平整度有保證、使用功能不受影響、擠壓條件滿足的前提下越薄越好。而大裝飾構件，要充分考慮由于擠壓工藝要求所帶來的影響。裝飾構件越大，壁厚要求就越厚，可以考拆分成幾個小的模具進行擠壓，最后通過拼裝的方式形成大裝飾構件，可以達到省錢的目的。當然，這些優化設計上的改變，都是要在業主和設計院認同的前提下行進。還有一種思路，根據情況合理的把這些裝飾構件和主受力構件綜合設計，使其參與結構的受力也是節約成本的一種辦法。

鋁合金型材牌號和處理狀態的選用，合理的選用材料牌號和處理狀態可以有效減少型材的用量。大家知道，鋁合金不同的材料牌號，不同的處理狀態，材料的受力性能也不同，其市場價格也有差異。因此，我們在設計的時候要根據情況，綜合考慮材料價格以及用量，來確定使用什么牌號和處理狀態的材料。以鋁合金型材為例，采用高牌號的鋁合金型材可能價格相對會高點，但由于該材料的強度大，其用量可能大大減少了，成本反而降低。譬如在一些大風壓的地區，立柱一般是由強度控制的，如果選用T5的鋁合金型材（價格相對較低），當計算強度不夠的時候，很多設計師都習慣性的通過加大截面來滿足強度的要求，缺忽略了鋁合金型材可以通過選擇材料的不同牌號和處理狀態來提高材料的強度這個細節。其實，如果合理的選用T6的鋁合金型材，強度就可能已經滿足，無需通過加大型材截面來彌補強度的不夠，從而降低型材的用量。

在相同的條件下，幕墻的鋁型材成本，取決于單位面積所用的鋁型材用量，也就是取決于型材的截面積。所以，在滿足荷載要求的前提下，如何減小型材的截面積，是優化設計的一個重點細節。在截面積不變的情況下，可以通過不同的截面設計，采用合理的截面形狀、壁厚及內腔構造，來提高型材的受力性能，從而降低單位面積所用的鋁型材用量。所以說，設計師在細部優化設計的時候，如何設計截面使該構件達到最大的受力性能也是節約成本的一種有效辦法。

當然，有效降低成本的辦法還可以從面板材料、硅酮膠、五金件、輔材等方面進行控制和優化。在這里就不一一做詳細的介紹。

四、對相關材料的認識和應用

要成為一名優秀的幕墻裝飾設計人員，既要掌握建筑幕墻的各種結構設計，構造設計，細節設計，又要掌握各種外裝飾材料的規格、性能、和施工工藝，并大膽的運用各種新材料，這樣才能設計出完美的作品，才做出經濟實惠的優化設計。

譬如，在某個工程中，原建筑設計的鋁板分格為2500×4000mm，這種現象就是建筑師可能沒有全面掌握外裝飾原材料的生產工藝造成的。如果我們的設計師也沒有掌握鋁板的生產工藝和規格，就很容易照搬建筑師的分格去設計。而目前的鋁板原材料的常用規格為1220X2440，短邊的寬度可以適當增加，但廠家會根據客戶的要求按照增加不同的尺寸加收超寬的費用，而且2500mm的鋁板寬度基本還是做不出來的。這樣一來，如果中標了，不但方案實施不了，還造成了不必要的成本增加，更談不上成本的優化了。

大膽的運用各種新材料同樣可以做到節約成本，在某個工程當中，原設計在層間梁不透光部位用的是單片鋼化玻璃+50mm厚保溫棉+2mm厚的鋁單板。這個配置是比較常規的設計，但設計師如果對新的材料比較了解，可能就會有其他新的優化設計方案。為何不嘗試一下改用一些新興材料來代替2mm厚鋁單板？在業主和設計院同意的情況下，采用單片玻璃+50mm厚保溫棉+硅酸鈣板（FC板）的做法，硅酸鈣板（FC板）比鋁單板背襯板的價格也低得多。對于大面積的公共建筑，這里面優化下來的成本不是個小數目。

篇3

微分進化算法一經提出就引起廣泛關注，1996年該算法參加了首屆IEEE進化算法大賽，在所有參賽的進化算法中，DE被證明為最優的進化算法，隨后該算法在各個領域都得到了廣泛的應用。DE算法的機理與其他進化算法類似：初始化種群；對種群進行變異、交叉和選擇操作；更新種群；對新種群進行操作，不斷進化更新，直至符合停止條件，結束優化。DE算法的基本操作包括變異、交叉和選擇，與其他進化算法最大的不同之處在于他的變異算子是從當前種群中選取的多個任意個體做差值運算、并乘以系數得到的，而其他一些進化算法的變異算子是定義的概率分布函數。標準微分進化算法的進本操作計算如下。變異算子：其中第n代種群中的第i個個體可表示為()()()(),1,2,(,,...,)nnnniiiiDXxxx，D為個體變量的維數；變異操作后得到的中間個體記為(n1)iV，其中r1,r2,r3{1,2,..D.,，}為互不相等的實數；F是一個常數，用來控制變異的比例，通常取F(0,1)；()()()(),1,2,(,,...)nnnniiiiDUuuu為交叉后產生的個體；()()nifX為(n)iX的適應值。本文對交叉算子進行改進，基本思想為：隨機挑選當前種群中的三個個體作為交叉對象；按適應值從大到小依次排序為個體1、個體2、個體3；將個體1和個體2、個體1和個體3分別按照標準微分算法的交叉算子進行交叉；將兩個交叉算子所得取平均值，作為新的交叉算子所得結果。改進后的交叉算子保留了標準算法中的全局性（隨機選取交叉對象）、增加強了局部搜索能力（將交叉對象按適應值排序，次好的個體和差的個體分別與最好的個體進行交叉）、又防止了限于局部最優（求取兩個交叉算子所得的平均值作為最終交叉結果）。改進后的變異算子為：選取三個測試函數對改進后的微分進化算法進行測試：二維Schaffer函數其中三個函數的變量范圍均為[100,100],理論最小值均為f(0,0,...,0)0。分別用標準的微分進化算法和改進的微分進化算法對上述三個函數進行最小值優化搜索，對對算法的效率進行對比，參數設置如下：標準的微分進化算法變異系數F與交叉系數CR均取0.5，種群大小20，當目標值小于1e-6終止迭代，為了使結果更有說服力，每個算例將5次測試的平均迭代步數作為結果進行對比；改進的微分進化算法，交叉方式與系數與原始微分進化算法一致，種群大小20當目標值小于1e-6終止迭代。測試結果如下：以上測試結果表明，在三個測試函數最小值優化搜索中，改進后的微分進化算法調用求解器的次數分別是標準微分進化算法的1/13.7、1/9.2和1/21.7，證明了改進后的算法具有更快的收斂速度，優化搜索效率更高。

2任意空間的FFD參數化方法

FFD方法以彈性體受力后變形的思想來解決三維幾何變形問題，能用較少的設計變量光滑的描述曲線、曲面、三維幾何體的幾何外形，并能方便的應用于整體以及局部外形的修形設計，當不存在型面交線問題時還可以很容易地實現部件整體的平移和扭轉。FFD技術通過建立參數空間和物理空間之間的映射關系Xf(x)，來實現借助對參數空間的控制，間接地對物理幾何進行變形、移動和扭轉操作，其中x為參數空間的坐標，X為物理空間坐標。FFD參數化技術對幾何有很強的控制能力，但是控制的效果在很大程度上取決于控制框的布置，也即參數空間的建立。因此在構建控制框時需要借助分離、對接以及建立控制點之間的約束關系降低控制點的自由度等技術來建立單框、多框、對接框、約束框和整體框等控制框，來保證曲面變形時的曲率光滑，實現局部變形、整體的平移和扭轉以及帶約束的變形來減少設計變量的個數。任意空間的FFD參數化方法通過如下公式建立參數空間與物理空間的映射關系：其中，()ilBs,()jmBt和()knBu分別為了l,m和n次Bernstein多項式基函數，i,j,kP為控制框的控制點在物理空間內的坐標，s、t、u為控制框內的局部坐標。因此若已知幾何在控制框內的局部坐標和變形后控制點在物理空間的坐標，就可以獲得幾何變形后在物理空間內的坐標。本文利用分離和對控制點加約束降低控制點自由度的技術建立了單框，以實現對機身后體的局部變形。

3基于緊支函數的RBF動網格技術

為了實現計算網格隨著幾何的改變而改變，本文采用基于緊支函數的RBF動網格技術。RBF動網格技術通過散亂數據插值的過程來實現網格的運動計算。與無限插值方法和彈簧比擬法相比，在任意的結構和非結構網格體系下，RBF動網格技術對大變形都有更強的適應能力，能夠更有效的控制網格的平移和扭轉，同時數據結構簡單，操作方便，適合分布式存儲并行計算，同時變形效果不依賴于計算網格的拓撲結構。RBF動網格技術的變形能力在很大程度上取決于所選取的徑向基函數()()（其中表示歐氏距離）的數學性質。緊支型徑向基函數的函數值隨著中心距離的減小而減小，且當該距離大于緊支半徑后函數值恒為零。與其它類型的徑向基函數相比，緊支函數的特點與動網格計算的要求一致，同時計算時的系數矩陣為帶狀分布的系數矩陣，計算量較小。因此，本文采用基于緊支函數的RBF動網格技術，來克服基于全局函數和局部函數的RBF動網格計算效率較低的缺點?；诰o支函數的RBF動網格通過求解如下方程組來獲得RBF插值函數的系數矩陣：其中，2()1，r，r為緊支半徑，根據定義，當1時，取()0。six和skx為物面的表面網格坐標，()skfx為物面表面網格變化前后坐標增量，sN為物面網格點的個數，iγ為插值系數。利用共軛梯度法獲得插值系數后就可以通過以下RBF插值公式得到空間網格點坐標增量。1圖1至圖3分別為M6機翼的初始網格和利用基于緊支函數的RBF動網格技術對M6機翼進行彎曲和扭轉變形后對應網格，從結果可以看出基于緊支函數的RBF動網格技術具有很強的平移和旋轉變形能力，能夠進行復雜的網格變形操作。

4優化設計系統的建立

本文利用FFD參數化方法和RBF動網格技術，結合CFD流場求解技術、kriging模型和改進后的微分進化算法，構建了如圖4所示的氣動優化設計流程。其中CFD技術采用雷諾平均N-S方程，SSTk湍流模型。因為直接利用CFD求解器進行精確計算，計算量較大優化效率很低，因此本文采用模型技術來代替直接的數值模擬來降低計算量，其中樣本集通過均勻實驗設計法和CFD數值模擬計算獲得，本文中計算網格為1200萬。

5考慮發動機干擾的尾吊布局民機后體減阻優化設計

本文選取的尾吊布局民機后體布局形式如圖5所示，因為機身后體與短艙、掛架之間形成的流道的形狀是影響三者之間干擾阻力的重要因素之一[18]，而且當飛機布局形式確定以后，考慮到對全機重心位置以及發動機進氣等因素的影響，短艙只能有小幅位置的移動，而機身后體與短艙之間型面的配合對流道形狀有較大影響，因此本文通過固定短艙和掛架不變，改變機身后體形狀來研究尾吊布局民機后體減阻問題。FFD控制框的布置及設計變量的選擇如圖6和圖7所示。為了對后體進行局部變形，本文采用能進行局部變形的控制單框，控制框在三個方向各有6、4和3個控制點，內部控制點緊貼著掛架和機身后體布置。因為流道的前半部分最為重要，因此本文選取流道前端的處于控制框內部的6個控制點作為形變擾動源，其它控制點固定不動，同時將6個控制點分成3組，組內的2個控制點的移動形式完全一樣，同時要求這3組控制點只能沿著掛架前緣線的方向移動，這樣不僅將設計變量減少到3個，同時在使機身后體有足夠變形擾動的情況下保證掛架型面基本沒有變化。設計狀態為，M=0.86，Cl=0.38，Re=2.1×107，設計目標為阻力最小，幾何約束為機身寬度變化量不超過10%，同時保證機身后體曲面光順。在構建Kriging模型時，采用均勻實驗設計法選取樣本，樣本容量50個，利用改進的微分進化算法進行優化搜索，群體規模為20，迭代次數85。圖8給出了收斂歷程，從圖9可以看出優化后機身后體靠近短艙唇口位置向內收縮，機身與短艙之間形成了一個近似擴張的流管，掛架形狀基本沒有改變，但面積有所增大。優化結果利用N-S方程全湍計算進行校核，表2表明優化后全機阻力減少2.67%，其中壓差阻力減少6.6%，摩擦阻力略有增大。從圖10至圖12可以看出，初始模型在掛架、短艙前端有很高的吸力峰，尤其在掛架下表面前端有一個激波誘導分離區，使得初始模型有較大的壓差阻力，經過優化機身與短艙之間的流道有收縮擴張管變為擴張管道，使得氣流加速減弱，使得掛架、短艙之間的吸力峰減小，掛架下表面前端的分離區消失，因此壓差阻力減小。優化后壓差阻力的減小也就是機身、掛架和短艙之間干擾阻力的減小。圖13為空化掛架后初始模型與優化模型的表面壓力云圖，可以看出，初始模型在短艙最大寬度位置處，機身和短艙之間有比較大的低壓區并伴有激波，而優化模型僅在短艙唇口附近才有范圍較小、強度較弱的低壓區。機身與短艙之間的低壓區與掛架的前緣吸力峰相互干擾，使得吸力峰的強度和位置發生變化。圖14為優化前后在掛架同一截面位置（剖面位置如圖14所示）處掛架表面Cp對比圖，從圖中可以看出對于初始模型掛架上下表面的吸力峰很高而且位置靠后，后面伴隨著較強的激波，而優化模型掛架下表面的吸力峰值減小很多，激波被削弱并且位置前移，使得阻力減小，同時上表面已經沒有了明顯的峰值，壓力變化比較和緩。

6結論

篇4

關鍵詞：計量；優化設計；電流互感器；復合變比

作者簡介：趙朋昌（1984-），男，山東肥城人，山東省寧陽縣供電公司生產技術部，助理工程師；趙娜（1983-），女，山東泰安人，山東省寧陽縣供電公司發展策劃部，助理工程師。（山東 寧陽 271400）

中圖分類號：TM452?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）30-0136-01

由于電力計量系統中電流互感器的計量范圍受限，電力計量中普遍存在著比較嚴重的超負荷、低負荷運行情況下的漏電或竊電現象，供電部門一般都將其視為線損，導致在低負荷或超負荷情況下計量失準造成漏計量。實際用電時，特別是電力負荷比較大的客戶，用電負荷并不是一成不變的，而是隨時間不斷變化的，當用電負荷達到電流互感器額定電流20%～120%的范圍之內時，電流互感器誤差較小，能夠滿足準確級精度要求，從而確保電能計量的精確性，但是當負荷超過電流互感器額定電流的120%或者低于20%時，電流互感器就會產生較大的誤差，超出的越多，誤差增加的就越多，電力計量準確與否，將直接影響供用電雙方公平交易。針對這一問題，寧陽縣供電公司在變電站新建、改造、擴建及業擴工程設計階段詳細分析每條出線的負荷特點，根據每條出線的用電性質、負荷變化情況合理選用多變比電流互感器，同時利用復合變比電流互感器自動轉換計量裝置，通過實時在線檢測，確定當前運行的負荷電流的大小，經過內部比對分析后，自動發指令，自動調節計量裝置在小變比和大變比之間的準確切換。通過以上優化設計可大大減少在低負荷、超負荷運行情況下的漏電或竊電現象，降低相應線路的線損率，提高經濟效益。

一、電力計量優化設計實施過程

1.估算每條線路的負荷

對公司變電站出線，根據此條線路上所接配變總負荷及負荷同時率計算出每條線路所帶負荷，此時應考慮該條線路所帶區域五年內的經濟發展情況，據此可以估算出此條線路的最大負荷。對變電站內的用戶專線，可根據用戶的裝機負荷及負荷同時率計算出專線所帶最大負荷。對企事業單位等用戶報裝配電變壓器，可根據用戶所報負荷和實際勘察情況計算出該變壓器所帶最大負荷，從而選擇相應容量的配電變壓器。

2.確定用電類型

對不同的用電情況進行分類是電力計量優化設計的前提。不同類型的用電客戶，用電情況也千差萬別，綜合分析各種用電客戶的實際情況基本可以將用電客戶分為以下幾種類型：日常用電型、不間斷用電型、季節性用電型、間歇性用電型、階段性用電型和不確定性型等七種用電類型。以上七種用電方式中只有不間斷用電型客戶用電負荷相對穩定，基本無變化，如自來水供應等二十四小時不間斷生產的電力客戶。其他類型用電客戶的用電負荷總是會出現比較大的變化，比如季節性用電的農田灌溉，甚至有些住宅小區用電負荷季節性變化都很大，夏季和冬季時，空調和電暖氣用電負荷較大，春秋季節，天氣涼爽，用電負荷也降到了最小，這也是比較典型的季節性用電類型。日常用電型的客戶大部分是辦公大樓、學校、住宅區等，這些客戶用電十分有規律，一般是上午上班時間打開電腦、空調等各種用電設備，用電負荷快速增長并達到相對穩定的狀態，下班時間多數用電設備短時間內關閉，用電負荷迅速降低；住宅小區的用電特點是，用電高峰一般都集中在中午十二點左右和晚上七點左右，其余時間用電負荷較小。階段性用電的客戶如鋼廠、泵站等。它們是分階段用電的，產能受銷售或需求影響，開機時間無規律，但是一旦開機，其用電負荷會保持在一個平穩的區間；還有間歇性用電型客戶，如石油行業的抽油機等，這種用電類型用電負荷基本是不斷變化且沒有規律的；此外還有不確定性用電，如大型活動場館等，此類用電類型平時處于長時間空載運行或輕載運行，當有大型活動需要時才運行至正常負荷區間。以上幾種用電客戶用電時間和用電負荷大小的變化是比較大的，這就要求計量用電流互感器的計量范圍必須足夠大、計量精度必須足夠高，否則在長期空載運行或輕載運行的過程中會造成計量丟失或計量失準。

3.選擇計量用電流互感器的變比

（1）根據負荷情況確定計量用電流互感器的變比。對公司所屬變電站出線，根據估算出的負荷情況，可計算出滿負荷時該條線路的電流值，從而確定計量用電流互感器的變比。對用戶配電變壓器，根據變壓器的容量計算出滿負荷時的電流值，從而確定電流互感器的變比。選定電流互感器的變比時盡量兼顧最大和最小負荷，當不能兼顧大小負荷時，就要寧大勿小，因為超負荷時的漏電量，比低負荷時要大的多，如果設計小的變比，一旦超負荷，電量損失的就更嚴重。

（2）根據負荷變化范圍確定計量用電流互感器的變比范圍。不同用電類型的客戶，其負荷變化的范圍也不盡相同，如果是連續生產的企業，用電負荷變化不大，只要確定最大用電負荷，配用合適變比的電流互感器，其用電負荷是不會超出或低出電流互感器的準確計量范圍的。當用電單位的配電變壓器容量很大或有多臺變壓器時，用電負荷從一臺低負荷運行到多臺滿負荷運行或從最大負荷到最小負荷，用電負荷會在較大范圍內變化，如果按多臺變壓器的總容量確定電流互感器的變比，當全部變壓器的運行負荷之和在總容量的20%～120%時，計量的準確性就很高，然而當全部變壓器的運行負荷之和在總容量的20%以下或120%以上時，就會出現計量不準確的現象。由此可見，選擇計量用電流互感器的變比時要統籌考慮用電負荷的變化范圍，以防止或減少低負荷和超負荷時的漏計量問題，那就必須根據負荷電流變化范圍選取一種計量范圍寬的多變比電流互感器，即復合變比型電流互感器。這種互感器就是同時具備兩個或兩個以上變比的電流互感器，其中大變比一般是小變比的2～5倍，這樣就可以在用電負荷較小時，讓其運行在電流互感器的小變比，用電負荷較大時讓其運行在大變比，以減少因超負荷或低負荷造成電流互感器的計量失準，從而導致的漏電或竊電。

4.實現復合變比轉換的自動化

一是在實際電力計量過程中，當用電負荷增加到一定量，需要更換電流互感器的變比時，必須先停電才能從小變比換到大變比，不可能隨著用電負荷的變化頻繁更換電流互感器的大小變比。因此，用人工更換電流互感器變比的辦法是不現實的。二是在更換了電流互感器的變比后，用電的倍率也發生變化。因此運行在不同變比時，計量電量不能真實反映實際用電量；為了得到準確數據就要使用兩套計量裝置來分別計量電量，這樣在同一線路上使用兩套或多套計量裝置，這種方法可操作性不高。三是既使更改了電流互感器的變比，計量裝置也不能計算出在某個變比下電流互感器的運行時間，因而無法準確計算出用電量。

針對以上問題，寧陽縣供電公司在設計計量系統時采用復合變比電流互感器自控轉換計量裝置，這種裝置是一種智能化自動轉換變比的計量裝置，與復合變比電流互感器配套使用，在運行過程中，會隨時檢測線路電流的變化，當線路電流增加到電流互感器小變比額定電流值時，即可轉換到電流互感器的大變比運行，當線路運行電流下降到電流互感器大變比額定電流值的20%時，又自動轉換到電流互感器的小變比運行，這樣就完成了一個轉換過程。在整個計量過程中，因在自動轉換裝置內部電路中已將兩個不同變比的倍率調整成同一倍率，所以在整個變比轉換過程中不需要分別記錄運行時間，在整個過程計量用電量時，均可按一個統一的倍率計算實際用電量，從而實現了復合變比電流互感器的自動計量，寬范圍計量。這種計量方式，在保證了電流互感器計量精度的同時，解決了電流互感器在低負荷和超負荷時的漏計量，因此，這種計量方式非常適用于日常型用電、季節性用電和負荷變化較大的電能計量客戶，來杜絕低負荷和超負荷漏計量或竊電，降低線路損耗。

二、應用效果

寧陽縣供電公司在設計階段即優化電力計量用電流互感器的配置，取得了良好的效果。以磁窯變電站10kV高鐵線為例，該線路原電流互感器變比600/5，線路上安裝1000kVA變壓器8臺，變電容量達8000kVA，但是由于用電同時率忽高忽低，導致用電負荷變化較大，該線路電流有時在50A左右徘徊，有時能達到450A，在較小電流狀態下，電流互感器不能準確計量，從而導致電量流失，將原電流互感器改裝成一組200～600/5A的復合變比電流互感器和三倍率的自動轉換計量裝置后，運行了兩個月后，電量損耗降低了2.95%。另以寧陽縣陽光景園小區和弘盛現代城小區為例，兩個小區變壓器容量均為1600kVA，變壓器型號相同，用電類型相同，月用電量相當，但是陽光景園小區的計量裝置采用了復合變比電流互感器自動轉換裝置，而弘盛現代城小區的計量電流互感器為單變比，兩者相比，陽光景園小區的電量損耗比弘盛現代城小區低4.2%。

三、結論

經過優化設計后的變電站出線或用戶變電站，其計量裝置一直在最佳狀態下運行，運行一段時間后線損均出現不同程度的下降，有效的減少了由于嚴重的低負荷、超負荷所造成的漏計電量，使電能計量更準確，大大降低了線路損耗，有力促進了電力交易的公平性和合理性，同時為寧陽縣供電公司創造了可觀的經濟效益。

參考文獻：

[1]于國發.復合變比電流互感器自動轉換計量裝置[J].農村電氣化，2004，（5）.

[2]陳文民.負荷不正常對計量的影響[J].農村電氣化，2008，（5）.

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關鍵詞：可靠度;橋梁結構;優化模型;設計研究方向；樁頂 ；分聯墩蓋梁

Abstract: Based on the reliability optimization design of bridge structure will be a whole research as a bridge structure, but also random uncertainty factors and treatment of bridge structure design, than the conventional optimization design is more reasonable. This paper describes the reliability optimization design of bridge structure and the direction of development based on the basic idea of.

Key words: reliability; bridge structure; optimization model; research direction; pile; sectional pier

中圖分類號：TU2 文獻標識碼： 文章編號：

引言

橋梁結構設計的基本原則是安全、適用和經濟。傳統的橋梁結構設計主要是采用定值設計的方法，既不能描述和處理橋梁結構中客觀存在的各種不確定性因素，也不能定量地分析計算安全、適用及經濟的各項指標，更無法科學地協調它們之間的矛盾，使它們達到合理的平衡。事實上，傳統設計方法追求的是一個滿足設計規范條件下的最低水平設計，因而提出新思路、研究新方法是十分必要的。

1、橋梁優化設計特點分析

結構優化設計在橋梁工程領域日益受到重視，但其應用的范圍和程度還很不理想。其原因除了橋梁工程設計取費標準不利于推動優化技術之外，還可歸結為橋梁工程結構優化問題的如下特點：

1.1橋梁工程結構設計中的大量不確定性。如外部環境(荷載和結構所處場地類型等)的不確定性、結構本身的不確定性(結構材料性能、截面幾何參數和計算模式的精度等不確定因素導致的結構構件抗力的不確定性)、結構整體分析中由于模型簡化的誤差而導致的不確定性等。為了充分考慮所涉及到的各種不確定性因素(目前主要考慮隨機性因素)，必須采用結構可靠度理論。

1.2橋梁工程結構設計準則的多重性。包括承載能力極限狀態設計、正常使用極限狀態設計以及與其它特殊功能要求相聯系的極限狀態。

1.3結構優化目標的多樣性。對橋梁工程來說，人們既要求在目標方面考慮結構造價，還要考慮不同功能的失效概率和失效損失造成的失效損失期望、結構運行和維修費用等在內的經濟指標，還可以以某些特定結構功能為目標。另外，目標函數的性質也很復雜，既有設計變量的顯式函數(結構的重量或造價)，又有設計變量的非線性、高度隱式函數(結構的失效損失期望);而且由結構造價和結構損失期望的加權和所構成的統一目標函數不具有對設計變量的單調性。

2、橋梁設計中混凝土結構耐久性設計內容 2.1橋梁上部結構細部設計 ①橋面鋪裝。橋面鋪裝是橋梁與車輛直接接觸的部件，也是橋面排水的第一道防線。橋面鋪裝一方面承受著汽車的沖擊碾壓剪切作用，另一方面又承受著主梁傳遞的反復應力和撓變，經常出現早期損壞，進而破壞橋面防水系統，最終導致主梁受橋面水影響而腐蝕主筋，鋪裝混凝土逐漸與主梁剝離，削弱了主梁的受力性能，影響了整個結構的安全性和耐久性。②橋面防水層。橋面鋪裝與主梁之間的防水層是防止橋面水滲入主梁的第二道防線。不少設計中僅單一采用防水混凝土進行防水。 由于防水混凝土屬于剛性防水層，一旦開裂后防水性能便大為下降。③主梁。主梁是全橋的主要承力構件，一般在設計當中均要進行整體分析和局部分析，重視程度很高，從理論計算角度均能滿足規范要求?？墒窃趯嶋H運營當中，主梁（主要是箱梁）箱體內長期大量積水的現象時有發生，甚至積水灌滿箱體的情況也有發生，極大地損傷了主梁的預應力鋼筋和普通鋼筋，使得主梁安全性大大下降。究其原因，很大程度上是對于主梁細節設計的不到位，主梁排水構造設置不夠完善，橋面積水在長時間不能排出橋外時便通過梁頂裂隙進入箱體，進而在箱體內不斷積累，最終形成箱體內積水。④伸縮縫。伸縮縫是橋面的重要組成部分，直接影響著橋梁的伸縮性、舒適性。由于對主梁收縮徐變考慮不足，經常出現的問題是型號選擇不當，導致梁端或在最高溫度時擠壓損壞，或在最低溫度時拉壞梁體。伸縮縫在保證梁體縱向伸縮的同時，也應重視防水設計。在很多設計中，采用直線式伸縮縫，這樣做固然設計比較方便，但在橋梁兩端的護欄處成為主要的漏水區域。因此，建議選用橫向兩端有翹頭的伸縮縫，使得整個伸縮縫形成一個閉合良好的U型槽，可以有效避免橋面積水沿伸縮縫這個排水薄弱環節下泄到分聯梁端及分聯墩蓋梁上。

2.2橋梁下部結構的細部設計 分聯墩蓋梁 分聯墩處由于上部結構設置伸縮縫，橋面水經常通過伸縮縫薄弱環節泄漏到分聯墩蓋梁上，尤其是采用除冰鹽的地區，分聯墩蓋梁長期承受著腐蝕性除冰鹽水的腐蝕。因此，分聯墩蓋梁頂面應該設置橫坡以便排走橋面流下的水，并且要在蓋梁保護層厚度方面重點考慮防腐蝕要求。另外，為了防止腐蝕性鹽水順墩身流下，避免對墩身和樁基產生不利的影響，設計中可在蓋梁挑檐上設置滴水槽。樁頂 橋梁樁基安全直接決定著橋梁的整體安全，是橋梁設計的重中之重。樁基頂部與承臺或墩身相連，受截面突變的影響，屬于應力集中的部位。橋梁樁頂一般設計于地面線附近，受地面水、地下水、橋面排下的含除冰鹽的冰水、地面土（尤其像鹽漬土、土中有機質）等因素中的一種或幾種的影響，經常處于干濕交替和腐蝕性環境，對于樁基頂部的鋼筋混凝土耐久性產生較大的不利作用。因此，樁基尤其是樁頂的設計中必須要根據樁頂處的水位情況、土質情況合理判定環境等級，選擇相應的耐久性設計標準，最終確定保護層厚度。

3、結構優化設計研究方向

基于可靠度的橋梁結構優化設計，重點研究和解決以下問題：

3.1研究符合橋梁結構特點的、實用可行的優化模型。

3.2研究橋梁結構各構件的邏輯功能關系。在結構體系可靠度理論中，研究較多較成熟的是“串聯系統”，因此，如何將橋梁結構劃分為若干具有串聯關系的單元(單元可以是單個構件，也可以是構件的組合，這種組合可能出現并聯關系或混合關系)，也是一個十分有意義的問題，可使問題得到簡化。

3.3研究單元(構件)失效之間、失效模式之間的相關性問題?？煽慷扔嬎闶墙Y構優化過程中非常關鍵的環節，為此，合理考慮各單元(構件)失效間的相關性及失效模式間的相關性是非常重要的。

4、基于可靠度的結構優化水平的劃分及公路橋梁結構優化設計

基于可靠度的結構優化方法按其設計變量的特性可劃分為四個優化水平，分別是：水平一：截而優化，以截而尺寸作為設計變量;水平二：形狀優化，以截而尺寸和描述形狀的幾何尺寸作為設計變量;水平二：結構優化，以截而尺寸、描述形狀的幾何尺寸和結構特性參數作為設計變量;水平四：總體優化，以截而尺寸、描述形狀的幾何尺寸、結構特性參數和材料參數作為設計變量。

公路橋梁結構優化設計 結構優化模型 基于可靠度的橋梁結構優化模型可以決策出各個構件的最優可靠度,各個構件的優化設計就是以最小的造價實現它的最優可靠度,這就將結構整體優化設計方法分成以下三個方面: 選擇設計變量 一般把對設計要求起主要影響作用的參數作為設計變量,如目標控制參數(結構造價C1和損失期望C2)和約束控制參數(結構的可靠度PS);而將那些對設計要求來講,變化范圍不大或是根據結構要求或局部性的設計考慮就能滿足設計要求的參數等作為預定參數,這可以大大減少設計、計算和編制程序的工作量。 確定目標函數 一般用全橋所設計的梁結構造價之和作為目標函數進行優化。首先,假設所設計的梁在使用期內失效概率為PF,其失效以達到或超過極限狀態為標志,一旦結構損壞必須考慮重建。因此,橋梁結構的可靠度優化設計問題就歸結為尋求一組滿足預定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率PF,從而使總費用C最小。 minC=C1+ C2PF 式中,C:目標函數; C1:結構造價; C2:結構的損失期望,失效概率為PF時可能造成的失效結構的恢復費用。結構失效概率為PF。 確定約束條件 公路橋梁結構基于可靠度優化設計的約束條件,則包括尺寸約束、結構強度約束、應力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構件單元約束、結構體系約束、從正常使用極限狀態下的彈性約束到最終極限狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。在設計中,要使結構優化設計應用于實際橋梁工程,則是將公路橋梁設計中實際的約束條件與目標約束條件相比較,保證各約束條件都符合現行規范的要求,以實現最優設計。

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一、透析教材的“點”――有效整合

在小學數學教材中，每一課教學內容都有起關鍵作用的知識點，這也是我們課堂教學的重點內容。因此，對于教材中的這一些知識點，我們要進行透析，做到有效整合。

1.把握知識本質點。由于小學生的年齡比較小，他們的思維能力是以形象思維為主，為了迎合學生的這一思維特點。在小學數學教材中，很多知識內容都以描述性的語言進行表述。例如，在“圓的認識”中，關于直徑和半徑的定義都是基于圖形的，教材的呈現形式是“像AB這樣的線段叫圓的直徑”“OA這樣的線段叫圓的半徑”。

但是，作為一名小學數學老師，我們要明確相關概念的真正內涵，著眼完整的知識體系，去引領建立數學知識網。這是數學老師的根本要求。所以，數學教師閱讀教材要讀出這些概念的“本質”，把握準本質內容，還原數學真實面貌，再從源頭思考，選擇更合適的教學方式。

2.把握知識“聯點”。所謂知識“聯點”就是指知識點間的先后承接關系。在小學數學教材中，往往給我們呈現的是知識間的一種并列關系，實質上這是一種“假關聯”的呈現方式。

例如，在小學數學教材中，三角形面積計算公式就是承接在長方形、平行四邊形面積計算基礎之上的。于是，很多老師會誤認為這種先后性就是知識點間的關聯。比如，正方形的周長計算和長方形周長計算。我們習慣上依正方形是特殊長方形這個標準，就在周長計算探索時也進行了這種關聯假定，先學長方形周長，再學正方形周長計算。其實，正方形周長和長方形周長計算的基點都是周長的含義（所有邊長之和就是封閉平面圖形周長），這兩個知識點是一種并列關系。所以，教學時我們完全可以打破教材的序列設定。而將正（長）方形周長計算置于平面圖形周長計算這個基點上進行發散，實現知識的合理整合教學。

二、深讀教材的“線”――深化實施

每一課都有一條突出教學內容的教學主線。但是新課程下的小學數學教材，往往圖文并茂，教材中給我們呈現的是大量的情境圖。這就需要我們去深入挖掘教材背后的知識主線，讓這一條教學主線貫穿一堂課的始終，這樣，我們進行教學設計時才能突出教學重點和關鍵。

例如，《2的乘法口訣》一課中，教材通過淘氣幫媽媽分筷子這一情境圖來呈現。什么是這一情境圖后的知識“主線”呢？其實這一情境圖的關鍵要素是“2”，因為一雙筷子兩根在生活中是固定的，與2的乘法口訣有直接關聯。所以，“一雙筷子2根”就是這個內容的主線，我們的教學設計就要圍繞這條主線展開。

課堂上，我這樣設計導課：小朋友都做過客吧。看淘氣家今天要來客人啦，他正在幫媽媽活。（出示書上的圖片：一個小朋友圍著一張桌子在分一雙雙的筷子。）

師：你會分嗎

師：小朋友們，一雙筷子幾根？

生：兩根。

師：那她就是說相當于1個2，能用乘法式子表示拿1雙筷子得到根數嗎？

師：那，你能從拿2雙、3雙一直到9雙，分別用乘法式子記錄拿到根數嗎？

請幫助淘氣將分的結果記在表記錄中。

學生在這一張表格的輔助下，進行了自主擺一擺邊記錄邊交流。

這樣通過一雙筷子這個道具，為學生頭腦中理解2的乘法口訣提供了最簡潔的表象物，并形成了一條加強記憶的線索。我們解讀教材，應該敏銳的發現素材中這類線索，并依此助推學生的思維水平提升。

三、拓展教材的“面”――遷移延伸

數學以學生思維能力發展為主目標，這是數學的學科主導價值。但新課標明確提出了“學生發展為本”的教育理念。這意味著我們數學課堂功能不能僅僅為了讓學生增長數學知識，更應讓學生體會學習意義，獲得除知識理解外的素質提升。這可能也就是三維目標之情感價值觀層面的目標。為此，教材主要選擇了“話題”形式呈現許多人文素材內容。比如，“數學萬花筒”“數學閱讀”“生活資料引入”等。

“話題”是問題，但它更有人文性，是體現參與人主動性的問題。浸潤參與主體公平的一種氛圍，這種環境之中，學生的知識調動，交流互動，動手勞動等是積極的表現，有利于學生獲得最積極的學習體驗。所以“讀教材”時要重視這些內容的審讀。讀出內容所涵蓋的社會責任、歷史情感等內容，并創設合適的機會讓學生去感悟，升華個人的情感體驗。

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一、優化設計對建筑節能的影響

1、設計方案影響工程建造直接能源消耗

在工程設計中，其建筑和結構方案的選擇對建筑的直接能耗有較大影響，如建筑方案中的平面布置為內廊式還是外廊式、進深與開間的確定、立面形式的選擇、層高與層數的確定、基礎類型選用、結構形式選擇等都存在著技術經濟分析問題。中國住宅建設用鋼平均每平方米55公斤，比發達國家高出10%~25%，水泥用量為221.5公斤，每一立方米混凝土比發達國家要多消耗80公斤水泥。據統計，在滿足同樣功能的條件下，技術經濟合理的設計，可降低工程建造直接能源消耗5%～10%，甚至可達10%～20%，如某無線電廠的多層框架結構廠房(4層)，設計單位按常規設計為獨立基礎，由于多層廠房荷載較大，致使獨立基礎的單體尺寸較大，埋深較深(-3.2m)，事后經其他設計人員分析如采用柱下條基，可節約大量的砼，并可降低埋深減少土方開挖所消耗的機械能耗；某綜合辦公樓，在優化設計中，因改變原先設計中的普通鋼筋為帶肋鋼筋，單此一項優化設計，共節約鋼筋1000T，鋼筋總節約率達30%左右。

2、設計方案影響建成后使用的能耗

建筑是牽涉到很多專業的復合體,并且完整的建筑節能工作包括了從最初的規劃、方案到設計、施工,以及多年的運營使用,直至最后拆除重建的全生命周期過程。但以往只注重直接建造成本的降低，輕運營階段能耗的使用情況。從住宅使用過程中的資源消耗看，與發達國家相比，我國住宅使用能耗為相同技術條件下發達國家的兩到三倍。2020年，中國的建筑能耗將達到29430億度電，比三峽電站34年的發電量總和還要多?，F在，我們必須用全壽命周期的節能理念對建筑進行優化設計，即以較低的壽命周期能耗實現必要的功能，獲得豐厚的壽命周期經濟效益。所謂壽命周期能耗是指整個壽命周期過程中發生的全部能源消耗，包括建設、使用、維修、殘值及清理等階段所發生的能源消耗。設計不僅影響項目建設的一次性能耗，而且還影響使用階段的能源消耗，如暖通、照明的能源消耗、清潔、保養、維修等，一次性建造能耗與經常性使用能耗有一定的反比關系，但通過優化設計可努力尋求這兩者的最佳結合，使項目建設的全壽命費用最低，全壽命能耗達到最佳經濟合理狀態。建筑節能優化設計的途徑主要是通過圍護結構保溫和氣密性能的提高，以及采暖空調設備能效的提高等等，來達到減少空調和采暖等能源的消耗。在方案設計當中，建筑師需要對建筑的方位、體型、朝向進行優化，必需要為充分利用自然風、陽光等自然資源創造條件。同時，也必須對建筑材料優化；外墻、樓板、分戶墻、屋面、玻璃、窗框的設計等都需要量化與優化；窗墻比須要以節能和居住舒適度為前提進行優化。從方案設計開始到初步設計，工程師需要根據不斷調整的設計方案模擬量化建筑的能耗情況、計算空調和采暖設備的裝機功率，比對各種影響因素，最后向客戶提供最佳的設計方案。例如，在空調與采暖設備的市場上，各種品牌各種型號使消費者眼花繚亂?？照{設備有空氣源熱泵、地源熱泵、風機盤管、地板采暖、輻射制冷、采暖系統、戶室中央空調、變頻機組、水系統、冷媒系統等等。這些空調系統的初投資和運行費用大不相同，那么通過模擬量化，計算出初投資的費用、每年的耗能量、能源費用，消費者或者項目開發者就可以很容易地作出正確的決定。例如北京的一些奧運場館中，為減少能耗，設計者沒有采用普通的新風系統和空調系統，而是經過多次優化設計，尋找最佳節能方案。為實現自然通風和改善室內環境，采用了智能電動窗，很好的解決了新風問題；在場館空調設計中（包括“水立方”和“鳥巢”）都采用了由美國聯合技術開利公司設計的節能空調系統。該系統通過熱回收技術在空調系統中的應用，節能率為10%。該系統在冷水機組上加裝了熱回收裝置，在空氣處理機中采用了新型熱管熱回收裝置，可以回收場館排放總熱量的50%，回收的熱能一部分用于加熱游泳池水和生活用水，另一部分用于加熱新風。

二、現階段推行優化設計運作困難的成因

1、政府主管部門對建筑節能優化設計監控不力

長期以來，主管部門對設計節能成果缺乏必要的考核與評價，有的僅靠圖紙會審來發現一些簡單問題，僅僅是一些新材料或空間布置的一些規定。缺乏對方案的節能性方面的系統審查要求。建筑節能設計首先是一個系統設計問題，它絕不是多項節能技術或者節能設備的簡單累加，它需要定量化。例如，人們在市場上可以買到節能空調、節能玻璃、節能熱水器、太陽能熱水器、墻體保溫材料等等，但是這些材料與設備如何使用、使用哪種型號、用量多少、所起到的作用是什么就需要通過量化整合來完成。集思廣益，從多方面影響因素出發，以最低的投資、最佳的手段完成并達到節能設計目標。所以建設主管部門監管的同時，應增加人員配備和審查力度，對設計節能成果進行量化全面審查。

2、業主要求優化設計的意識不強

目前，業主往往把控制重心放在施工直接投資環節上，而對建成后使用運營成本及節能優化設計環節重視不夠。其原因：一是對設計對投資影響的重要性認識不夠，只看到搞施工招標，投標價要低于標底價、施工單位要讓利等，殊不知選擇一個優秀的設計單位進行設計方案的優化會帶來更大的節約；二是對建筑節能的認識不到位，沒有一個節能環保綠色建筑意識。

3、建筑節能優化設計的開展缺乏必要的壓力和動力

由于缺少建筑節能優化設計與企業和公眾的直接經濟利益聯系，使得節能工作缺少內在經濟利益推動力，政府部門建筑節能管理工作還存在體制不順、監管體系不健全，造成執法不嚴、監督不力，國家政策不配套，缺乏激勵機制和工作力度。對一些國有投資建設項目，有關行政審批單位在審核初步方案時，只注重設計的建設規模和投資限額，對方案的經濟合理性和節能性不做深入研究分析；另外，由于現在的設計收費是按面積或按造價的比例計取，幾乎跟建筑節能和設計質量的優劣無關，導致對設計方案不認真進行節能分析，而是追求高標準，造成能源浪費。相反，設計單位即使花費了較多的人力、物力，優化了設計方案，給業主節約了投資，也不能得到應有的報酬，有時設計費反而變少了，從而挫傷了優化設計的積極性。

三、搞好優化設計的幾點建議

1、主管部門應加強對建筑節能優化設計工作的監控

為保證建筑節能優化設計工作的進行，開始可由政府主管部門來強制執行，通過對設計節能成果進行全面審查后方可實施。政府主管部門不僅需在技術法規與標準相結合方面做出努力，而且還需要政府以技術法規的形式提出必須嚴格控制的最基本的技術指標、技術要求、功能要求，可以導則、指南、技術標準等標準類技術文件予以體現。利用主管部門的職能，總結推廣標準規范、標準設計、公布合理的技術經濟指標及考核指標，為優化設計的進行提供良好服務。建筑節能技術新規范逐步從控制單項建筑維護結構(如外墻、外窗和屋頂)的最低保溫隔熱指標，轉化為控制建筑物的實際能耗。新建建筑必須出具建造耗材經濟指標、采暖需要能量、建筑能耗核心值和建筑熱損失計算結果，特別是建筑結構熱損失計算結果。建筑能耗總量（包括供暖、通風和熱水供應）和建造能耗值只有滿足其對應的節能標準才被允許開工及竣工驗收。在竣工時，建筑開發商必須出具相關部門的一份“能源消耗證明”，證明清楚地列出了該住宅每年的能耗，及節能等級。以上措施，必須逐步實施，特別是國有投資項目要先于執行。

2、以政策扶持拉動建筑節能優化設計

國家制定節能政策，并要求以多樣化的經濟激勵等扶持舉措，形成推動建筑節能的市場機制，推進建筑節能優化設計的推廣。對建造節能建筑產品的要根據優化設計后節能程度給予政策和資金支持，減免稅費等優惠措施，并可建立評價機制，對因建造節能建筑而超支部分資金，國家應給予無償免息貸款或獎勵機制，使建筑節能優化設計以行政手段為主轉向以經濟手段為主。

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Abstract: Enhanced “the cone” through the mold structure's improvement the components qualified rate, reduced the production cost, raised the working efficiency, has obtained the good economic efficiency. Widened the rubber mold design mentality.

關鍵詞:錐體外觀流膠槽改進硫化模啟模板

Key word: The conethe outward appearancethe gummosis troughthe improvementthe curing moldopens the template

作者簡介:姓名:崔建勇,出生年:1975年,性別:男,民族:漢族;籍貫:河南新鄉;職稱:工程師;學位:學士

一、 問題概述

某機型產品所用“錐體”零件是通用零件,生產批量大,零件公差及外觀要求嚴格,加工難度大,廢品情況嚴重時可達34%,廢品出現頻次最多的是尺寸超差、外觀不合格。為提高軍品產品質量、減少浪費,立案對該零件加工進行改進。

二、 問題關鍵點

1) 零件概況

“錐體”零件(圖1)在產品中是以A面參與密封的。因此對A面的外觀要求為“零件表面不應有氣泡、孔眼、雜質,允許有模型輕微磨損或加工不良的痕跡,表面凸起或脫落凹陷不大于0.1mm,模縫錯位和毛刺不大于0.2mm”,在零件生產過程中A面的損傷以及加工不良直接造成零件報廢。

2) 模具現狀

型腔部分:現有模具(圖2)在設計時,分模面選在B處,將R1.5分為上下兩部分,但是為了降低加工難度將上模部分的R1.5取消,在打毛刺工序去除毛邊的同時成型上部R1.5。

流膠槽部分:流膠槽設置情況為環繞型腔互相連通(圖3)。

3) 生產中出現的問題

① 硫化過程中,經常出現的情況為5.5 0 -0.16mm尺寸超上差,是由于多余的膠料在將流膠槽填充滿后,擠入上下分模面處造成的,為清除擠在分模面處的膠料就需要在壓制時先預壓(2~3)s,然后啟開模具清除多余料邊,這樣會引起模縫錯位過大,造成外圓尺寸超差。廢品率達到10%~20%,浪費了大量的膠料。而且這一過程使壓制時間延長了(3~5)分鐘,造成生產效率下降。

② 在壓制后啟模時,零件留在下模難以取出,啟出零件時需用銅針挑出,這樣一來就造成A面損傷和分模面處掉塊的現象,又產生大量的廢品,廢品率達到10%。整個硫化過程的廢品率能達到將近30%,使得生產效率低下。

③ 在打毛刺工序,清除B處毛邊時,由于上模部分的R1.5取消,在清除此處毛邊時經常將A面靠近分模面的部分打傷,形成廢品。這種情況引起的廢品嚴重時會達到70%,一般情況下為15%~25%。

④ 0709-2-2批次投入1320件的原材料成品有898件。

三、 針對關鍵點的措施

① 針對5.5 0 -0.16 mm尺寸超上差的情況,我們對流膠槽設計進行改進,加工溢膠槽將兩兩互聯的流膠槽與外界連通(圖4),在保證型腔壓力的情況下使多余膠料能順暢的溢出模具外而不是擠在分模面處。這一方法不但保證了零件的高度尺寸穩定,而且減少了清除料邊的時間提高了零件加工效率。

② 針對啟模時,用銅針挑出零件,使A面損傷和分模面處掉塊并且效率低下的現象,我們借鑒塑料模具的頂出機構,在模具結構方面進行改進(圖5),在下模下方增加一層模板,啟模后輕輕將中模向上啟動再壓下,用手將零件掃落即可,個別的用手捏下,再也不用將上模啟開后挨個的挑取零件了,啟模時間不到兩分鐘,大大地提高了生產效率。

③ 針對打毛刺工序出現的問題,參考180?“O”型圈的分模形式,將上模取消的R1.5加上。使得分模面在R1.5的最大外圓處,打毛刺時保證了A面完好,并且R1.5圓滑,毛邊小,去除時比較輕松,不象原來的模具那樣突出了一部分實體,去毛刺時費時費力,還易打傷A面。

四、 效果檢查

2008年6月G4 6578/0036模具加工完畢,試模合格。又經過一批零件的加工試制,使用情況如下:

① 壓制過程中,零件高度問題得到完美的解決,硫化過程中不需再啟開模具清理毛邊,多余的膠料都順著與外界連通的流膠槽流到模具外,解決了多余膠料將型腔墊高的問題。壓制過程中的廢品率降為2%。

② 硫化完畢,啟模時僅將中模板輕輕抬起再壓下,即可將制品從凹槽內輕松啟出(費時僅1.5分鐘),不但損傷A面的問題得到解決,啟模效率也得到提高。整個硫化過程的廢品率降為1%~5%。

③ 打毛刺工序。模具改進后,B處類似于180?分模的“O”型圈,在旋轉機床上清理毛刺,僅會在分模處留下一條無光澤帶,不會像以往那樣打傷A面。打毛刺工序工作難度得到降低,工作效率提高,并且廢品率也直線下降。又經過兩個批次觀察(0803-1-1和0811-1-1),此工序廢品率基本穩定在1%。

5、 結論與經驗

這次模具優化設計的完成取得了良好的效果,解決了困擾我們多年的難題。2008年11月26日加工了一批共2060件,只投入原材料為2145件的消耗就順利及時地進行了提交(廢品率僅為4%)。

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關鍵詞：結構優化；螺旋槳；有限元

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）35-8156-02

結構優化設計是一門新興的技術科學，是以現代數學、現代力學的數值方法為基礎，以電子計算機系統為工具，研究結構設計自動化和優化的理論和方法。飛行器、船舶、橋梁等的結構設計，其最重要的要求就是要使所設計的結構在外力作用下既有足夠的強度和剛度，又要具有盡可能輕的結構重量或低的成本，從而改善其工作性能，并節約資源和提高經濟效益。

空氣螺旋槳飛機與渦扇飛機相比具有省油、對機場跑道要求低和便于空投救援等優點。作為載機平臺，螺旋槳是吸收發動機功率并產生飛機飛行所需拉力的部件，是螺旋槳飛機前進的動力。研制先進的螺旋槳飛機，就必須研制先進的螺旋槳。螺旋槳是安裝在航空發動機上的旋轉動部件，又是主要的承力構件。在設計時既受結構尺寸的限制，又有重量約束。為此，對所設計的螺旋槳的主要受力件需進行強度分析，在滿足強度和剛度要求的前提下，對螺旋槳的結構進行優化，以減輕螺旋槳重量。

鑒于目前國內對螺旋槳的整體結構優化設計沒有形成一套完整的理論和方法，該文通過有限元法對某型螺旋槳的主要受力件進行靜強度分析，根據分析的結果，從零件材料、產品結構和產品使用的角度進行優化，并對優化后的結果進行強度校核。根據分析結果，在確保結構安全性能可靠的前提下，保證有足夠的強度和剛度，減輕螺旋槳整體重量，合理優化結構。

1 有限元分析方法及軟件在螺旋槳結構分析中的應用

有限元方法主要包括計算原理、計算機軟件、計算機硬件三個方面的應用與實施。有限元分析法主要是運用離散概念，把連續的彈性體進行劃分，劃分成一個集合體，這個集合體由無數有限小單元組成，通過單元分析和組合，得到一組聯立的代數方程，最終求得數值解。它不但可以解決工程中的線性問題，非線性問題，而且對于各種不同性質的材料均能求解。將計算機軟件應用于一定環境下的特定結構進行有限元分析時，對結構的分析模型、邊界條件及載荷的模擬需要一定的經驗和技巧。在對復雜結構進行整體分析建模過程中，可供選擇使用的單元有上百種。求解的精度和收斂的速度取決于單元的選用、結點的布局、網格的生成。對應于不同的分析目標同樣的工程結構，建立的模型是不一樣的。這就要求分析者深入地理解和正確的判斷所分析的物理問題。在很大程度上，分析模型與實際結構的差異決定了計算結果的正確性和可靠性。

螺旋槳由于整體結構、零件外形、受力復雜，利用MSC公司有限元軟件Patran的MSC.Patran、MSC.Nastran模塊，對螺旋槳的主要受力件包括槳殼、槳套、變距套筒、槳葉、螺樁進行強度分析。利用實體建模軟件Catia對螺旋槳的復雜零件和主要受力件進行實體造型，利用Catia和有限元分析軟件的接口將零件的實體導入MCS.Patran，對各零件進行簡化處理和有限元建模，同時給各零件施加材料屬性，加載和施加約束，最后提交給其后處理器Nastran進行計算，利用計算的應力結果結合設計經驗從材料、結構和使用角度進行優化，以進一步降低螺旋槳重量。

利用MSC.Patran/ MSC.Nastran進行有限元線性靜力分析的過程通常是：在有限元前處理軟件“MSC.Patran”中創建幾何模型，如果模型較復雜最好通過CAD軟件創建，然后導入MSC.Patran進行前處理：劃分網格、創建材料、賦單元特性、施加約束邊界條件、加載。前處理完畢，提交解算器MSC.Nastran進行線性靜力分析，最后讀入分析結果，應力、應變、位移等量值以云圖形式顯示出來。分析比較應力、應變值及其位置是否合理。

傳統的結構優化一般是憑借經驗或者參照已有的工程實例，通過比擬的方法進行設計。由于機械結構形式的多變性、建立的數學模型的復雜性、選用的優化方法的有效性，在機械行業選用不同的初始設計方法尤為重要。

以計算機為基礎的結構優化設計就是：在規定的各種設計限制條件下，將實際設計問題首先轉為最優化問題，然后運用最優化理論和方法在計算機上自動調優計算。

結構優化的基本步驟：一、以工程問題為基礎，把工程問題轉化為數學問題，即建立數學模型；二、根據工程問題的實際情況選擇適合的優化方法。

建立數學模型包括選定設計變量和目標函數，建立約束方程等。結構優化數學模型一般由設計變量、目標函數和狀態變量（約束條件）三要素構成。

按照設計變量的難易程度結構優化設計劃分，可分為尺寸變量、形狀變量和拓撲變量等，對這些不同的變量進行的結構優化設計分別被稱為：尺寸優化、形狀優化和拓撲優化。

尺寸優化：將結構的尺寸參數作為設計變量，修改結構單元的尺寸進行的優化設計；形狀優化：將結構的形狀參數作為設計變量，調整設計的可行域的邊界和形狀，最終得到最優的幾何形狀和可行域的邊界；拓撲優化：在結構內部尋找承力最小的部位即非實體區域的部位進行優化，使結構得到最優的配置。綜上所述，工程結構優化設計可以劃分為三個不同的層次，這三個層次的優化代表了工程設計人員對于要設計的工程結構，從概念設計階段到基本設計階段，再到最后的詳細設計階段這樣一個連續的過程。

3 螺旋槳結構優化程序及結論

螺旋槳的機構優化將有限元方法和設計經驗相結合，對螺旋槳各主要受力零部件的強度進行有限元分析，根據分析結果，從材料選擇、加工工藝和產品使用角度對螺旋槳整體結構進行改進，使螺旋槳整體重量減輕，并對改進后的強度進行校核。主要包括以下幾方面：

a）主要對螺旋槳承受的載荷、受力情況、產品工作的原理、各部件連接形式和結構特點進行分析。

b）利用Catia軟件建立某型螺旋槳主要受力件（包括槳殼、槳葉、槳套、變距套筒、連桿、螺樁、撥套）的實體模型。簡化各零部件的受力情況和約束情況，并選擇合理的單元類型和網格劃分方法，然后根據分析類型合理施加載荷和約束之后得到一個有限元分析模型。

c）選擇合適的解算器計算主要受力件的應力和應變，根據計算結果，發現結構的薄弱環節，并以此分析結果作為結構改進或優化設計的依據。

d）根據分析結果確定結構優化方案，對優化結構再進行強度校核，并與優化前結構進行對比分析，達到減重的目的。

參考文獻：

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關鍵詞: 樁筏基礎, 設計方法, 數值分析,減沉設計, 變剛度調平設計

1． 引言

樁筏基礎顧名思義是由樁基和筏基共同組成，屬于混合基礎型式，在軟土地區使用較多，樁筏基礎傳統的計算方法是采用結構力學的方法，將整個靜力平衡體系分割成上部結構、基礎和地基三個部分，各自獨立求解。對筏板一般采用倒梁法或倒樓蓋法，顯然這樣各自獨立求解的計算結果與實際工作狀態是不相符的，忽視了上部結構與基礎之間以及基礎與地基之間的變形連續條件, 造成了計算的偏差。因此，尋求樁基礎設計的簡化和優化方法，是設計人員的迫切課題，許多學者在這方面進行了卓有成效的工作，提出了各種考慮樁土相互作用的優化設計方法，有的方法己經應用于實際工程，取得了可觀的效益。

2． 樁筏基礎設計思路

對于摩擦群樁或端承摩擦群樁的樁筏基礎，其主控因素一是建筑物的沉降和不均勻沉降，二是地基的承載力。目前常見的設計思想是按承載力控制設計思路和按沉降控制設計的思路。在深厚土層特別是深厚軟土層中的樁筏基礎的失效，絕大多數是由于總體沉降或差異沉降過大造成的。這種情況下，采用以沉降控制設計的思路較為合適。而在土質堅硬，壓縮性較小的地區，顯然按承載力控制設計較為合理。樁筏基礎優化設計的發展方向是考慮了樁土的共同作用，主要有以下幾種方法。

3． 樁筏基礎優化設計的幾種方法

3.1上部結構與地基基礎共同作用的分析法

共同作用分析的方法就是把上部結構、地基和基礎看成一個彼此協調的工作整體, 在滿足邊界變形的情況下得到各部分的內力和變形, 從而較真實地反映建筑物的實際工作狀態。JGJ 699 高層建筑箱形與筏形基礎技術規范中采用了等代剛度的計算公式,適當考慮了上部結構剛度的貢獻, 這還是不夠的。由于樁筏基礎與地基共同作用分析是一個復雜的力學問題, 解析法和半解析法很難得到應用。因此, 數值方法成為筏板分析的首選方法, 一般以有限元法為基礎。將上部結構、基礎和地基作為一個整體的計算域, 統一劃分單元, 分別求出三部分的剛度矩陣, 依次疊加, 并通過力的平衡和變形協調條件來建立分析的基本方程, 進行位移和內力的求解。計算中可采用用諸如“子結構”等等能減少未知數、節省存貯量的計算方法。

實際計算時可采用ANSYS 等有限元軟件建立三維模型, 使用以下兩種方法建模分析。

①樁采用桿單元, 土采用實體單元

上部結構、基礎和地基共同作用有限元方程可用下式表示:

其中, 分別為上部結構剛度矩陣、基礎結構剛度矩陣、樁身分割為桿單元后的剛度矩陣及地基土的彈塑性支承剛度矩陣； 分別為荷載向量及位移向量。對于基礎剛度很大的情況, 還應考慮土的非線性性質。如文獻中, 將上述有限元法用于樁筏基礎共同作用數值分析, 得出基礎沉降、樁土荷載分擔比等與實測結果吻合較好。該方法在一定范圍內得到了較好應用, 但由于求解的未知數的數量很大, 運用于復雜結構的求解存在困難。

②樁簡化為彈簧的分析法

將樁簡化為作用在筏板下面具有一定剛度的彈簧, 彈簧剛度根據樁頂平均荷載和樁頂沉降來計算。分析模型如圖1 所示, 體系的基本方程可寫成:

求解上述方程可得出筏板節點位移, 從而進一步計算筏板內力、撓度、樁反力等一系列結果。將該方法運用于實際工程, 證實了這種分析方法使用方便, 計算結果較為理想,而且避免了計算樁端下臥層應力場的繁瑣。

3.2 減沉設計

① 減沉設計的基本原理

減沉設計是指按沉降控制為原則設計樁筏基礎。減沉設計概念主要應用于軟土地基上多層建筑設計，在軟土地基的基礎設計中，有時決定采用樁基主要并不是因為鄰近地表的土層強度不足，而是較深處的軟弱土層產生過大沉降的緣故，這時可采用數量較少的樁使沉降量減小到允許的范圍內, 這種樁一般是摩擦樁，在承臺產生一定沉降的情況下，樁可充分發揮并能繼續保持其全部極限承載力，能有效地減小沉降量。同時，承臺或筏板也能分擔部分荷載，與按樁承擔全部荷載設計的樁基相比，根據不同的容許沉降量要求，用樁量有可能大幅度減少，樁的長度也可能減短，因而可以獲得較好的經濟效果。

② 減沉設計的內容

1) 樁長及樁身斷面選擇: 選擇樁長應盡可能穿過壓縮性高的土層, 樁端持力層壓縮性應相對較低。在承臺產生一定沉降時樁仍可充分發揮并能繼續保持其全部極限承載力: 選擇樁身斷面應使樁身結構強度確定的單樁容許承載力與地基土對樁的極限承載力二者匹配, 以充分發揮樁身材料的承載能力。

2) 承臺埋深及其地面尺寸的初步確定：首先按外荷載，全部由承臺承擔時其極限承載力仍有一定安全儲備的原則, 先初步確定承臺的埋深及其底面尺寸，然后確定減沉設計的用樁量, 再驗算承臺的初步尺寸, 并給予調整。

3) 不同用樁數量時樁基沉降計算：根據初定的承臺埋深及其底面尺寸，原定若干種不同的用樁數量方案, 分別計算相應的沉降量，從而得到沉降s與樁數n 的關系曲線, 減少沉降樁基礎的樁距一般應大于6d，樁的分布與建筑物豎向荷載相對應。

4) 按建筑物容許沉降量確定實際用樁數量: 根據沉降s與樁數n 關系曲線, 按建筑物容許沉降量確定樁基實際所需的用樁數量。在用樁數量確定后，再按已經選定的樁數和初步確定的承臺埋深及底面尺寸計算其極限荷載，驗算安全系數或調整承臺埋深及底面尺寸,以確保合理的安全度。減沉樁基礎樁距較常規樁筏基礎布樁要大，一般至少大于4倍～6 倍樁徑，故其介于天然地基淺基礎與樁基礎之間。因而減沉樁基礎也稱之為控制變形疏樁基礎。對于減沉樁筏基礎的沉降計算則應結合當地經驗考慮樁同作用。將筏板進行有限單元剖分，可得到上部結構基礎地基( 樁土)共同工作分析方程表達：

其中,為上部結構荷載;為上部結構剛度凝聚;為厚筏或其他形式基礎的荷載;為厚筏或其他形式基礎的剛度；為地基或樁土的剛度凝聚;為基礎位移。盡管上式中各項的計算都很復雜，但是運用目前的既有方法都是可以解決的。要考慮的問題是：就目前采用連續介質彈性理論計算所得到的沉降偏離實測值過大，計算一般顯著大于實測，這樣就使得共同工作分析成果的實際價值降低。如何運用共同工作分析的成果優化設計是在共同工作分析中要重視的問題，而優化設計的關鍵乃是盡量減小差異沉降，從而降低筏板內力和上部結構次應力，減小筏板配筋和用鋼量，提高樁筏基礎的可靠性。為此，提出變剛度調平設計的概念和方法。這也是發展控制變形設計的一個重要方面。

3.3 變剛度調平設計

①變剛度調平設計的內容

在樁筏變剛度調平設計中，群樁剛度與單一筏板剛度的比值最為關鍵。最合適的值與樁筏面積比有關，且當有關樁筏面積比范圍為16%～25%時值接近于1。當樁筏面積比較大時，為減少沉降差， 值應稍微增加。考慮到樁的非線性，比完全彈性分析所得到的稍大( 約50%)， 值可能更為合適。為減小樁的承載能力明顯發揮(大于50%)后的沉降差，只要= 1的條件滿足，任何實際樁長都可采用。當然為獲得樁承載特性的合理發揮，樁的承載力應以側摩阻力為主，而不是樁端阻力。研究表明，樁的總承載力發揮的強度與樁的極限承載力的比值m 不應超過0.8，以避免沉降差明顯增加，在m

對無限大地基上的局部區域，其沉降應與該區域的荷載成正比，而與其剛度成反比。地基局部區域沉降較大，是該處荷載較大而剛度較小所致。削減該處的荷載或增大該處的剛度就可以減少該處的沉降，高層建筑樁筏基礎的荷載分布是由上部結構確定的，而上部結構由于受到功能的限制，一般很難進行調整。只能調整基礎的剛度，對于樁筏基礎，可通過變化板厚、設置肋梁，縮小墻距等調整基礎剛度分布。但費用往往很高，因此減少某處的沉降或進行調平設計主要是針對筏底布樁與筏底地基土。調整地基樁土剛度分布不僅可行而且調平效果顯著，是變剛度調平設計的中心內容。首先，主裙樓的地基基礎可采用不同形式,以適應上部結構荷載的分布狀況。當采用樁基和復合地基時，可通過調整布樁及處理范圍形成樁土變剛度分布。是改變樁的平面布置、樁數、樁長、樁徑以改變樁土剛度，還是采用復合地基改變筏底地基土和樁─土界面的性質，選擇的標準只能是技術可行性與經濟合理性。一般來講,對樁筏基礎,樁在基礎中占主導地位，改變基樁的參數效果顯著。

②變剛度調平設計的步驟

1) 按建筑物性質、荷載、地質條件等進行初始布樁并確定板厚。2) 對上部結構、樁筏基礎與地基共同作用進行分析，繪制沉降等值線。3) 對沉降等值線進行分析，當天然地基總體沉降不大而局部沉降過大時，根據具體條件，對沉降過大部分采用局部加強處理。如采用筏底布樁或復合地基, 在樁基沉降較小部位，應抽掉一部分樁；或視土層情況適當縮短樁長或減小樁徑。對沉降較大的部位, 應適當加密布樁或視土層情況，適當增加樁徑樁長,重新形成剛度體系。4) 進行共同工作迭代計算, 直至沉降差減到最小。在此過程中, 可根據沉降等值線, 判斷主裙樓間是否設置后澆帶或沉降縫，是否需對基礎板厚和構造進行調整等。顯然，調平設計的關鍵在于合理地計算樁筏基礎的沉降分布與沉降差。因此，調平設計的沉降分析比減沉設計的要求更高。過去人們一直認為：與承載力計算相比, 沉降計算更困難且更不可靠。C.通過沉降分析計算程序的開發研究認為：對傳統承載力設計和大數量的樁基，基于小變形模量的線彈性分析是完全合適的；對低安全系數和小數量的樁基(如減沉設計樁群) 需進行非線性分析；基于割線模量的等效線彈性分析，在概念上是錯誤的；如果采用恰當的數學模型、最大相互作用間距等，利用簡化分析方法足以滿足工程目的。

4 結語

1) 樁筏基礎設計是雙控的，從優化角度理解，承載力和沉降條件僅僅是兩個約束條件。在特定條件下，承載力和沉降往往只是其中一個起主控作用。在深厚軟粘土地基上的樁筏基礎, 沉降往往是設計的主控要素，應提倡以沉降控制設計的設計思想。

2) 以沉降控制為原則的減沉設計與變剛度調平設計，改變了傳統樁基設計概念，取樁基與天然地基之長, 達到揚長避短的作用。實際工程實例證明上述思路是正確的，并在實際工程中取得了很好的經濟效益。

參考文獻

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