优化设计范文

导语：如何才能写好一篇优化设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词 轻卡 货箱 设计

中图分类号：U469.2 文献标识码：A

轻卡是载类货车的一种类型，根据车型分类，卡车的最大涉及总质量必须要小于3.5吨，近年来，随着计算流体力学的广泛应用，为轻卡货箱优化设计提供了重要依据。本文以计算流体力学为基础，建立模型并研究其外部流场结构，最终采用混合整型优化法对轻卡货箱进行了外形优化设计，具体探究了轻卡货箱与轻卡驾驶室之间的间隙，车厢高出驾驶室的高度，在满足轻卡制造要求的前提下，使得汽车空气阻力最小，提升了轻卡货箱的设计水平和质量，推动我国载货车的设计和制造水平不断提升。

1模型建立

文中对轻卡货箱模型进行建立时，采用的是CATIA软件建立三维 CAD模型，以较少的成本，将车身结构进行简化，并且最终要保证计算的结果正确、可靠。因此，在模型设计和建立中，要设置好具体的计算参数，当汽车以每小时80公里的速度行驶时，在正前方的气流作用下，要保证汽车的前脸、车轴正面、车轮以及车厢高出驾驶室的部分形成一种正压区，这就形成了汽车在正常行驶过程中的空气阻力，此外，研究汽车在行驶中的气动阻力，由汽车前脸的过渡区和前挡风玻璃到车顶的过渡区，当出现流速过大时，在过度区就产生了在附着和气流分离，总体来说，影响轻卡车厢设计主要是车厢高出驾驶室的高度和车厢与驾驶室的距离，只有设计好这两大方面，才能最大程度减少空气阻力和气动阻力，此外，在设置好相关参数后，还要建立响应面模型，基于响应面法的作用下，通过近似构造一个能够明确表达形式的多项式，在对多个变量影响因素进行综合分析和研究后，最终达到优化设计的目的，提高轻卡货箱设计的科学性和安全性。

2样本设计

为了提高轻卡货箱样本设计的有效性，在设计过程中必须要选择好目标函数，确定出试验因子和目标函数之后，采集到所需要的样本数据，以此来建立应面模型。设计人员具体选择一种快速、经济且高效的试验设计方法，文中具体采用拉丁超立方设计，这种设计方法的优越性表现在：对水平值分级宽松，有效的空间填充能力，减少了试验的次数。根据拉丁超立方设计得到设计变量后，需要对设计好的模型进行修改和完善。设计人员依据迭代计算进一步优化设计结果，当轻卡货箱的高度越小时，其设计越合理，此外，针对货箱和轻卡驾驶室之间的距离，一般要保持一定的间隙，提高样本设计的合理性。

3优化设计结果

根据上述设计参数值和设计模型，修改和完善轻卡货箱的高度和货箱与驾驶室之间的距离，当货箱的高度降低时，气流流动不会被阻碍，气流一般通过货箱的上方顺利流过，这样就大大降低了空气的阻力，且不会产生二次分离，另外，在研究货箱与轻卡驾驶室之间的距离时，由于驾驶室的形状是上窄下宽，这时候在设计时要将两侧气流流到货箱，且之间要存在一个过度区域，其目的是轻卡货车在正常行驶中，减少空气的阻力，确保气流顺利通过。总之，在对轻卡货箱进行优化并设计时，重点把握好轻卡货箱与轻卡驾驶室之间的间隙和车厢高出驾驶室的高度。使得汽车空气阻力最小。

4结语

综上所述，为了提高整车空气动力学性能，优化CFD效率，因此，探究、分析轻卡货箱优化设计具有十分重要的意义。笔者通过自身多年实践工作经验，以及自身对货车设计要求的了解，提出从模型建立，样本设计及优化设计结果具体进行，通过分析轻卡外流场特性和汽车在正常行驶下的气动阻力，最终研究结果表明：轻卡货箱的高度越小其设计越合理，设计人员在设计轻卡货箱时，在满足使用要求的前提下，可以尽可能的降低其高度，此外，可以适当加大货箱与驾驶室之间的距离，确保气流能够顺利流过，将二者之间的距离看作过度区域，以合适的间隙来减少空气的阻力，希望通过本文的介绍和分析能够进一步提升轻卡货箱设计的合理性和科学性，不断提升我国载货车型设计和制造水平。

参考文献

[1] 程华扬，张代胜，薛铁龙.轻卡外流场数值模拟及货箱优化设计[J].汽车科技，2014（03）.

[2] 张炳力，薛铁龙，柴梦达.轻卡外流场数值模拟及附加井字形格栅优化设计[J].合肥工业大学学报，2014（12）.

[3] 史朝军，张胜兰.自卸车货箱多学科优化设计[J].湖北汽车工业学院学报，2013（03）.

篇2

关键词：幕墙工程，投标；优化设计

中图分类号：TU723.2文献标识码： A 文章编号：

建筑幕墙作为一个新兴的行业，近年来逐渐被社会认可，并在建筑外装饰工程当中得到广泛的应用。

在我国现阶段，幕墙的招标方式，大都采用技术分与商务分总评的综合评标法。作为招标方，大多数对低报价感兴趣。而投标单位为了中标，必然会权衡技术竞争力与价格竞争力的因素。在日益建筑幕墙造价的压力和经济因素作为首要考虑因素下，为了提高投标的竞争力，以低价打动业主的同时也要保证项目获得较好的建筑效果。因此，要求我们设计师构思一种构造简明、性能卓越、价格合理、易于加工、方便安装的设计。从整体来考虑，设计师不但要权衡各项参数，考虑设计目标、各项构件的作用、经济因素等的影响，还要考虑施工安装的分项过程、工序分解和降低成本的各组因素。而最终与这些因素挂钩的是工程项目造价。

工程项目造价的控制应贯穿于项目建设的全过程，它是建筑产品的总造价，是反映建筑产品的经济效益、社会效益非常重要的综合指标。而在初步设计阶段影响的可能性约50％-80％，由此可知，项目投资的关键在于施工前的决策和设计阶段，而项目决策后控制项目投资就在于设计控制。

通常情况下我们把设计阶段为两个阶段，即初步设计（包括技术设计）阶段和施工图设计阶段。初步设计阶段是控制基本建设投资规模和工程造价的最主要环节之一。现在就建筑幕墙工程设计阶段的优化设计以及成本控制方面谈谈自己的一些心得与见解。

现阶段，大部分的大型幕墙工程项目业主方都会请顾问公司来进行招标图设计。作为投标方，主要的任务是对招标文件和招标图的理解、响应应及报价，最终能否报出一个具有竞争力的报价，其中优化设计尤为重要。所以优化设计是技术设计阶段成本控制的有效办法，也是投标过程中重要的环节。

优化设计，牵涉到的环节很多，其中主要体现在以下几方面：

一、对项目的理解和定位，

二、与业主及设计院的密切沟通，

三、系统构造优化以及优化细节的把握，

四、对相关材料的认识与应用等等……，

个人认为，只要做好以上几个方面工作，作为投标方，是能做出一个价廉物美、富有竞争力的报价。

一、对项目的理解和定位

对投标的建设项目定位要准确。在制定优化设计方案前我们应当充分与业主沟通，在业主允许的条件下，根据该建设项目的功能、建筑档次及业主的经济实力策划出一套行之有效的优化设计方案。它主要包括幕墙工程的种类、结构形式、不同材料组合及材料品牌档次。

我们知道，建筑幕墙工程结构形式和材料种类较多，如单元式、框架式，全隐框幕墙、半隐框幕墙、明框幕墙、全玻璃幕墙、点支式玻璃幕墙、金属幕墙、石材幕墙等，这些因素直接影响工程的外装饰形象和工程总造价。在对工程定位时，我们应避免一味追求高档次结构和材料，致使工程造价超出业主工程概算，无法做出一套合理的报价。同时又要避免采用落后结构降低工程档次，从而影响工程形象，因此应该因工程而宜准确地将其定位在适当合理的档次上。通过对项目的理解和定位，投标方的投标成果业主可能更易于接受，从而提高投标的中标率。

二、与业主及设计院密切沟通

在方案设计中我们应当科学合理的尊重建筑师的设计。但在方案优化设计过程中，我们经常发现原建筑设计要求与现行建筑幕墙行业规范不符，又或者原建筑设计存在很多不合理和严重浪费的情况。这时，我们应当以幕墙专业设计的角度及时准确地与业主和设计院沟通，使他们更深刻地了解我们的技术能力和水平，也让业主感觉到我们是站在他们的立场为他们解决问题，降低成本。同时，对于一些可改可不改但又影响成本的设计，我们应该及时与业主和设计院沟通，说明其利害关系，一来取得了业主的信任，二来可以有效减低投标造价，为方案优化设计和中标打下良好的基础。

三、系统构造优化以及优化细节的把握

在对项目有准确的理解和定位，与业主及设计院有良好沟通的前提基础上，接下来就是很关键的一个环节----系统构造优化以及优化细节的把握。首先，在优化工作进行之前，我们先要明确可优化的范围和项目。这个要求我们的设计师要熟读招标文件、技术文件以及相关的答疑文件。一般来说，完善成熟的招标项目都会有统一的优化框架和平台。因此，项目投标能否报出富有竞争力的报价，就要求我们设计师对系统构造优化以及优化细节有很好的把握。

系统构造优化，以国外一些大型幕墙顾问公司出的招标图纸为例，他们的要求基本都是在不改变原有设计方案的前提下进行深化设计报价的。对于类似的幕墙设计顾问，我们在优化设计的时候就要做到胆大心细。首先，无可否认，他们的设计方案经过多年的沉淀和实例工程验证是成熟的。根据多年来和顾问打交道的经验，设计师如果在投标的过程中改变了他们的设计方案，接下来一般会遇到不少麻烦，最后基本还得改回他们的设计方案。

因此，我们在投标优化设计的时候，精力尽量不要放在修改他们的设计方案上面。当然，如果顾问要求提供备选设计方案及报价的情况除外。其次，他们可视部位的外观尺寸基本也不能改变，因为建筑师是非常痛恨别人修改它的外观尺寸。在这样的情况下，我们能做的是想办法在基本设计方案不变、外观尺寸不变的前提下完成优化设计。虽然也有不少顾问也要求不能改变构件的壁厚，避免发生安全事故。其实不然，在众多投标项目看来，系统构件的壁厚大部分都是可以优化的，譬如横梁、立柱等受力构件，在保证外观尺寸、满足结构受力安全的前提下，设计师可以根据规范的要求合理进行优化。特别在一些装饰性的构件上面，顾问公司常常做的异常的笨重繁琐和耗料，这是我们设计师优化设计的方向，但前提是保证外观尺寸。同时，在系统细部构造方面，特别是系统的内部构造，由于外观尺寸已经是不可以改变的，那简化内部的构造以及壁厚的优化尤为重要。但前提是保证系统的物理性能、使用性能不受破坏的前提下进行。最后，对一些在不可视区域的构件，大胆考虑，包括截面、壁厚、做法等都是进行优化设计的，毕竟在不可视区域，顾问不会非常敏感，前提是我们的做法合理、安全、先进，顾问都基本能接受。

优化设计细节，这个是设计师综合能力的体现，要求我们对设计以及优化的每个细节做到细处，在满足建筑师以及结构安全的前提下，把系统做得更加简洁、合理，体现出更高的性价比，而最终体现在更富有竞争力的报价上面来。

我们知道，幕墙的成本主要构成部分为材料成本，而材料成本一般主要是铝合金型材成本。铝合金型材的成本取决于幕墙的设计，不同的幕墙形式，其造价会不同。而相同的幕墙形式，不同的设计方案，工程造价也是不一样。如何合理的去设计和优化幕墙的铝型材，降低材料使用是我们每个设计师都要面临的问题。

首先从大方面来说，对不限制型材截面和做法的工程项目。以一栋高层建筑，单一的幕墙系统做来例子，常规的做法是至上而下都是用同一个幕墙系统，立柱及横料都是用同一截面。但从经济成本的角度来说，这样的做法是不够合理的，因为，在不同建筑标高对应着不同的风压，风压不一样意味着幕墙系统承受着不同的荷载。所以，我们可以考虑在不同建筑标高段采用不同的型材截面，这样做虽然增加了开模的费用，但对应高层建筑项目来说，铝型材的用量巨大，通过这种方式反而使铝型材的用量大大减少了，降低工程造价成本。

大家知道，规范对铝合金立柱和横梁的壁厚是有规定的。对铝合金立柱，截面开口部位的厚度不应小于3.0mm，闭口部位的厚度不应小于2.5mm。在设计的时候要充分考虑由此带来的型材用量的变化。而对铝合金横梁，当横梁跨度大于1.2m的时候，横梁截面主要受力部位的厚度不应小于2.5mm，当横梁跨度小于1.2m的时候，横梁截面主要受力部位的厚度不应小于2.0mm。这个很关键，譬如我们在设计一个幕墙分格的时候，横向分格尽量尺寸不要大过1.2m，以接近1.2m为宜，这样可以达到更好的性价比，铝型材用量更少。

铝合金装饰构件，分小装饰构件和大装饰构件。它们一般只有装饰或遮阳的功能，基本是不参与结构受力的。小构件譬如扣盖、装饰封边等，在自身强度足够、平面平整度有保证、使用功能不受影响、挤压条件满足的前提下越薄越好。而大装饰构件，要充分考虑由于挤压工艺要求所带来的影响。装饰构件越大，壁厚要求就越厚，可以考拆分成几个小的模具进行挤压，最后通过拼装的方式形成大装饰构件，可以达到省钱的目的。当然，这些优化设计上的改变，都是要在业主和设计院认同的前提下行进。还有一种思路，根据情况合理的把这些装饰构件和主受力构件综合设计，使其参与结构的受力也是节约成本的一种办法。

铝合金型材牌号和处理状态的选用，合理的选用材料牌号和处理状态可以有效减少型材的用量。大家知道，铝合金不同的材料牌号，不同的处理状态，材料的受力性能也不同，其市场价格也有差异。因此，我们在设计的时候要根据情况，综合考虑材料价格以及用量，来确定使用什么牌号和处理状态的材料。以铝合金型材为例，采用高牌号的铝合金型材可能价格相对会高点，但由于该材料的强度大，其用量可能大大减少了，成本反而降低。譬如在一些大风压的地区，立柱一般是由强度控制的，如果选用T5的铝合金型材（价格相对较低），当计算强度不够的时候，很多设计师都习惯性的通过加大截面来满足强度的要求，缺忽略了铝合金型材可以通过选择材料的不同牌号和处理状态来提高材料的强度这个细节。其实，如果合理的选用T6的铝合金型材，强度就可能已经满足，无需通过加大型材截面来弥补强度的不够，从而降低型材的用量。

在相同的条件下，幕墙的铝型材成本，取决于单位面积所用的铝型材用量，也就是取决于型材的截面积。所以，在满足荷载要求的前提下，如何减小型材的截面积，是优化设计的一个重点细节。在截面积不变的情况下，可以通过不同的截面设计，采用合理的截面形状、壁厚及内腔构造，来提高型材的受力性能，从而降低单位面积所用的铝型材用量。所以说，设计师在细部优化设计的时候，如何设计截面使该构件达到最大的受力性能也是节约成本的一种有效办法。

当然，有效降低成本的办法还可以从面板材料、硅酮胶、五金件、辅材等方面进行控制和优化。在这里就不一一做详细的介绍。

四、对相关材料的认识和应用

要成为一名优秀的幕墙装饰设计人员，既要掌握建筑幕墙的各种结构设计，构造设计，细节设计，又要掌握各种外装饰材料的规格、性能、和施工工艺，并大胆的运用各种新材料，这样才能设计出完美的作品，才做出经济实惠的优化设计。

譬如，在某个工程中，原建筑设计的铝板分格为2500×4000mm，这种现象就是建筑师可能没有全面掌握外装饰原材料的生产工艺造成的。如果我们的设计师也没有掌握铝板的生产工艺和规格，就很容易照搬建筑师的分格去设计。而目前的铝板原材料的常用规格为1220X2440，短边的宽度可以适当增加，但厂家会根据客户的要求按照增加不同的尺寸加收超宽的费用，而且2500mm的铝板宽度基本还是做不出来的。这样一来，如果中标了，不但方案实施不了，还造成了不必要的成本增加，更谈不上成本的优化了。

大胆的运用各种新材料同样可以做到节约成本，在某个工程当中，原设计在层间梁不透光部位用的是单片钢化玻璃+50mm厚保温棉+2mm厚的铝单板。这个配置是比较常规的设计，但设计师如果对新的材料比较了解，可能就会有其他新的优化设计方案。为何不尝试一下改用一些新兴材料来代替2mm厚铝单板？在业主和设计院同意的情况下，采用单片玻璃+50mm厚保温棉+硅酸钙板（FC板）的做法，硅酸钙板（FC板）比铝单板背衬板的价格也低得多。对于大面积的公共建筑，这里面优化下来的成本不是个小数目。

篇3

微分进化算法一经提出就引起广泛关注，1996年该算法参加了首届IEEE进化算法大赛，在所有参赛的进化算法中，DE被证明为最优的进化算法，随后该算法在各个领域都得到了广泛的应用。DE算法的机理与其他进化算法类似：初始化种群；对种群进行变异、交叉和选择操作；更新种群；对新种群进行操作，不断进化更新，直至符合停止条件，结束优化。DE算法的基本操作包括变异、交叉和选择，与其他进化算法最大的不同之处在于他的变异算子是从当前种群中选取的多个任意个体做差值运算、并乘以系数得到的，而其他一些进化算法的变异算子是定义的概率分布函数。标准微分进化算法的进本操作计算如下。变异算子：其中第n代种群中的第i个个体可表示为()()()(),1,2,(,,...,)nnnniiiiDXxxx，D为个体变量的维数；变异操作后得到的中间个体记为(n1)iV，其中r1,r2,r3{1,2,..D.,，}为互不相等的实数；F是一个常数，用来控制变异的比例，通常取F(0,1)；()()()(),1,2,(,,...)nnnniiiiDUuuu为交叉后产生的个体；()()nifX为(n)iX的适应值。本文对交叉算子进行改进，基本思想为：随机挑选当前种群中的三个个体作为交叉对象；按适应值从大到小依次排序为个体1、个体2、个体3；将个体1和个体2、个体1和个体3分别按照标准微分算法的交叉算子进行交叉；将两个交叉算子所得取平均值，作为新的交叉算子所得结果。改进后的交叉算子保留了标准算法中的全局性（随机选取交叉对象）、增加强了局部搜索能力（将交叉对象按适应值排序，次好的个体和差的个体分别与最好的个体进行交叉）、又防止了限于局部最优（求取两个交叉算子所得的平均值作为最终交叉结果）。改进后的变异算子为：选取三个测试函数对改进后的微分进化算法进行测试：二维Schaffer函数其中三个函数的变量范围均为[100,100],理论最小值均为f(0,0,...,0)0。分别用标准的微分进化算法和改进的微分进化算法对上述三个函数进行最小值优化搜索，对对算法的效率进行对比，参数设置如下：标准的微分进化算法变异系数F与交叉系数CR均取0.5，种群大小20，当目标值小于1e-6终止迭代，为了使结果更有说服力，每个算例将5次测试的平均迭代步数作为结果进行对比；改进的微分进化算法，交叉方式与系数与原始微分进化算法一致，种群大小20当目标值小于1e-6终止迭代。测试结果如下：以上测试结果表明，在三个测试函数最小值优化搜索中，改进后的微分进化算法调用求解器的次数分别是标准微分进化算法的1/13.7、1/9.2和1/21.7，证明了改进后的算法具有更快的收敛速度，优化搜索效率更高。

2任意空间的FFD参数化方法

FFD方法以弹性体受力后变形的思想来解决三维几何变形问题，能用较少的设计变量光滑的描述曲线、曲面、三维几何体的几何外形，并能方便的应用于整体以及局部外形的修形设计，当不存在型面交线问题时还可以很容易地实现部件整体的平移和扭转。FFD技术通过建立参数空间和物理空间之间的映射关系Xf(x)，来实现借助对参数空间的控制，间接地对物理几何进行变形、移动和扭转操作，其中x为参数空间的坐标，X为物理空间坐标。FFD参数化技术对几何有很强的控制能力，但是控制的效果在很大程度上取决于控制框的布置，也即参数空间的建立。因此在构建控制框时需要借助分离、对接以及建立控制点之间的约束关系降低控制点的自由度等技术来建立单框、多框、对接框、约束框和整体框等控制框，来保证曲面变形时的曲率光滑，实现局部变形、整体的平移和扭转以及带约束的变形来减少设计变量的个数。任意空间的FFD参数化方法通过如下公式建立参数空间与物理空间的映射关系：其中，()ilBs,()jmBt和()knBu分别为了l,m和n次Bernstein多项式基函数，i,j,kP为控制框的控制点在物理空间内的坐标，s、t、u为控制框内的局部坐标。因此若已知几何在控制框内的局部坐标和变形后控制点在物理空间的坐标，就可以获得几何变形后在物理空间内的坐标。本文利用分离和对控制点加约束降低控制点自由度的技术建立了单框，以实现对机身后体的局部变形。

3基于紧支函数的RBF动网格技术

为了实现计算网格随着几何的改变而改变，本文采用基于紧支函数的RBF动网格技术。RBF动网格技术通过散乱数据插值的过程来实现网格的运动计算。与无限插值方法和弹簧比拟法相比，在任意的结构和非结构网格体系下，RBF动网格技术对大变形都有更强的适应能力，能够更有效的控制网格的平移和扭转，同时数据结构简单，操作方便，适合分布式存储并行计算，同时变形效果不依赖于计算网格的拓扑结构。RBF动网格技术的变形能力在很大程度上取决于所选取的径向基函数()()（其中表示欧氏距离）的数学性质。紧支型径向基函数的函数值随着中心距离的减小而减小，且当该距离大于紧支半径后函数值恒为零。与其它类型的径向基函数相比，紧支函数的特点与动网格计算的要求一致，同时计算时的系数矩阵为带状分布的系数矩阵，计算量较小。因此，本文采用基于紧支函数的RBF动网格技术，来克服基于全局函数和局部函数的RBF动网格计算效率较低的缺点。基于紧支函数的RBF动网格通过求解如下方程组来获得RBF插值函数的系数矩阵：其中，2()1，r，r为紧支半径，根据定义，当1时，取()0。six和skx为物面的表面网格坐标，()skfx为物面表面网格变化前后坐标增量，sN为物面网格点的个数，iγ为插值系数。利用共轭梯度法获得插值系数后就可以通过以下RBF插值公式得到空间网格点坐标增量。1图1至图3分别为M6机翼的初始网格和利用基于紧支函数的RBF动网格技术对M6机翼进行弯曲和扭转变形后对应网格，从结果可以看出基于紧支函数的RBF动网格技术具有很强的平移和旋转变形能力，能够进行复杂的网格变形操作。

4优化设计系统的建立

本文利用FFD参数化方法和RBF动网格技术，结合CFD流场求解技术、kriging模型和改进后的微分进化算法，构建了如图4所示的气动优化设计流程。其中CFD技术采用雷诺平均N-S方程，SSTk湍流模型。因为直接利用CFD求解器进行精确计算，计算量较大优化效率很低，因此本文采用模型技术来代替直接的数值模拟来降低计算量，其中样本集通过均匀实验设计法和CFD数值模拟计算获得，本文中计算网格为1200万。

5考虑发动机干扰的尾吊布局民机后体减阻优化设计

本文选取的尾吊布局民机后体布局形式如图5所示，因为机身后体与短舱、挂架之间形成的流道的形状是影响三者之间干扰阻力的重要因素之一[18]，而且当飞机布局形式确定以后，考虑到对全机重心位置以及发动机进气等因素的影响，短舱只能有小幅位置的移动，而机身后体与短舱之间型面的配合对流道形状有较大影响，因此本文通过固定短舱和挂架不变，改变机身后体形状来研究尾吊布局民机后体减阻问题。FFD控制框的布置及设计变量的选择如图6和图7所示。为了对后体进行局部变形，本文采用能进行局部变形的控制单框，控制框在三个方向各有6、4和3个控制点，内部控制点紧贴着挂架和机身后体布置。因为流道的前半部分最为重要，因此本文选取流道前端的处于控制框内部的6个控制点作为形变扰动源，其它控制点固定不动，同时将6个控制点分成3组，组内的2个控制点的移动形式完全一样，同时要求这3组控制点只能沿着挂架前缘线的方向移动，这样不仅将设计变量减少到3个，同时在使机身后体有足够变形扰动的情况下保证挂架型面基本没有变化。设计状态为，M=0.86，Cl=0.38，Re=2.1×107，设计目标为阻力最小，几何约束为机身宽度变化量不超过10%，同时保证机身后体曲面光顺。在构建Kriging模型时，采用均匀实验设计法选取样本，样本容量50个，利用改进的微分进化算法进行优化搜索，群体规模为20，迭代次数85。图8给出了收敛历程，从图9可以看出优化后机身后体靠近短舱唇口位置向内收缩，机身与短舱之间形成了一个近似扩张的流管，挂架形状基本没有改变，但面积有所增大。优化结果利用N-S方程全湍计算进行校核，表2表明优化后全机阻力减少2.67%，其中压差阻力减少6.6%，摩擦阻力略有增大。从图10至图12可以看出，初始模型在挂架、短舱前端有很高的吸力峰，尤其在挂架下表面前端有一个激波诱导分离区，使得初始模型有较大的压差阻力，经过优化机身与短舱之间的流道有收缩扩张管变为扩张管道，使得气流加速减弱，使得挂架、短舱之间的吸力峰减小，挂架下表面前端的分离区消失，因此压差阻力减小。优化后压差阻力的减小也就是机身、挂架和短舱之间干扰阻力的减小。图13为空化挂架后初始模型与优化模型的表面压力云图，可以看出，初始模型在短舱最大宽度位置处，机身和短舱之间有比较大的低压区并伴有激波，而优化模型仅在短舱唇口附近才有范围较小、强度较弱的低压区。机身与短舱之间的低压区与挂架的前缘吸力峰相互干扰，使得吸力峰的强度和位置发生变化。图14为优化前后在挂架同一截面位置（剖面位置如图14所示）处挂架表面Cp对比图，从图中可以看出对于初始模型挂架上下表面的吸力峰很高而且位置靠后，后面伴随着较强的激波，而优化模型挂架下表面的吸力峰值减小很多，激波被削弱并且位置前移，使得阻力减小，同时上表面已经没有了明显的峰值，压力变化比较和缓。

6结论

篇4

关键词：计量；优化设计；电流互感器；复合变比

作者简介：赵朋昌（1984-），男，山东肥城人，山东省宁阳县供电公司生产技术部，助理工程师；赵娜（1983-），女，山东泰安人，山东省宁阳县供电公司发展策划部，助理工程师。（山东 宁阳 271400）

中图分类号：TM452?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）30-0136-01

由于电力计量系统中电流互感器的计量范围受限，电力计量中普遍存在着比较严重的超负荷、低负荷运行情况下的漏电或窃电现象，供电部门一般都将其视为线损，导致在低负荷或超负荷情况下计量失准造成漏计量。实际用电时，特别是电力负荷比较大的客户，用电负荷并不是一成不变的，而是随时间不断变化的，当用电负荷达到电流互感器额定电流20%～120%的范围之内时，电流互感器误差较小，能够满足准确级精度要求，从而确保电能计量的精确性，但是当负荷超过电流互感器额定电流的120%或者低于20%时，电流互感器就会产生较大的误差，超出的越多，误差增加的就越多，电力计量准确与否，将直接影响供用电双方公平交易。针对这一问题，宁阳县供电公司在变电站新建、改造、扩建及业扩工程设计阶段详细分析每条出线的负荷特点，根据每条出线的用电性质、负荷变化情况合理选用多变比电流互感器，同时利用复合变比电流互感器自动转换计量装置，通过实时在线检测，确定当前运行的负荷电流的大小，经过内部比对分析后，自动发指令，自动调节计量装置在小变比和大变比之间的准确切换。通过以上优化设计可大大减少在低负荷、超负荷运行情况下的漏电或窃电现象，降低相应线路的线损率，提高经济效益。

一、电力计量优化设计实施过程

1.估算每条线路的负荷

对公司变电站出线，根据此条线路上所接配变总负荷及负荷同时率计算出每条线路所带负荷，此时应考虑该条线路所带区域五年内的经济发展情况，据此可以估算出此条线路的最大负荷。对变电站内的用户专线，可根据用户的装机负荷及负荷同时率计算出专线所带最大负荷。对企事业单位等用户报装配电变压器，可根据用户所报负荷和实际勘察情况计算出该变压器所带最大负荷，从而选择相应容量的配电变压器。

2.确定用电类型

对不同的用电情况进行分类是电力计量优化设计的前提。不同类型的用电客户，用电情况也千差万别，综合分析各种用电客户的实际情况基本可以将用电客户分为以下几种类型：日常用电型、不间断用电型、季节性用电型、间歇性用电型、阶段性用电型和不确定性型等七种用电类型。以上七种用电方式中只有不间断用电型客户用电负荷相对稳定，基本无变化，如自来水供应等二十四小时不间断生产的电力客户。其他类型用电客户的用电负荷总是会出现比较大的变化，比如季节性用电的农田灌溉，甚至有些住宅小区用电负荷季节性变化都很大，夏季和冬季时，空调和电暖气用电负荷较大，春秋季节，天气凉爽，用电负荷也降到了最小，这也是比较典型的季节性用电类型。日常用电型的客户大部分是办公大楼、学校、住宅区等，这些客户用电十分有规律，一般是上午上班时间打开电脑、空调等各种用电设备，用电负荷快速增长并达到相对稳定的状态，下班时间多数用电设备短时间内关闭，用电负荷迅速降低；住宅小区的用电特点是，用电高峰一般都集中在中午十二点左右和晚上七点左右，其余时间用电负荷较小。阶段性用电的客户如钢厂、泵站等。它们是分阶段用电的，产能受销售或需求影响，开机时间无规律，但是一旦开机，其用电负荷会保持在一个平稳的区间；还有间歇性用电型客户，如石油行业的抽油机等，这种用电类型用电负荷基本是不断变化且没有规律的；此外还有不确定性用电，如大型活动场馆等，此类用电类型平时处于长时间空载运行或轻载运行，当有大型活动需要时才运行至正常负荷区间。以上几种用电客户用电时间和用电负荷大小的变化是比较大的，这就要求计量用电流互感器的计量范围必须足够大、计量精度必须足够高，否则在长期空载运行或轻载运行的过程中会造成计量丢失或计量失准。

3.选择计量用电流互感器的变比

（1）根据负荷情况确定计量用电流互感器的变比。对公司所属变电站出线，根据估算出的负荷情况，可计算出满负荷时该条线路的电流值，从而确定计量用电流互感器的变比。对用户配电变压器，根据变压器的容量计算出满负荷时的电流值，从而确定电流互感器的变比。选定电流互感器的变比时尽量兼顾最大和最小负荷，当不能兼顾大小负荷时，就要宁大勿小，因为超负荷时的漏电量，比低负荷时要大的多，如果设计小的变比，一旦超负荷，电量损失的就更严重。

（2）根据负荷变化范围确定计量用电流互感器的变比范围。不同用电类型的客户，其负荷变化的范围也不尽相同，如果是连续生产的企业，用电负荷变化不大，只要确定最大用电负荷，配用合适变比的电流互感器，其用电负荷是不会超出或低出电流互感器的准确计量范围的。当用电单位的配电变压器容量很大或有多台变压器时，用电负荷从一台低负荷运行到多台满负荷运行或从最大负荷到最小负荷，用电负荷会在较大范围内变化，如果按多台变压器的总容量确定电流互感器的变比，当全部变压器的运行负荷之和在总容量的20%～120%时，计量的准确性就很高，然而当全部变压器的运行负荷之和在总容量的20%以下或120%以上时，就会出现计量不准确的现象。由此可见，选择计量用电流互感器的变比时要统筹考虑用电负荷的变化范围，以防止或减少低负荷和超负荷时的漏计量问题，那就必须根据负荷电流变化范围选取一种计量范围宽的多变比电流互感器，即复合变比型电流互感器。这种互感器就是同时具备两个或两个以上变比的电流互感器，其中大变比一般是小变比的2～5倍，这样就可以在用电负荷较小时，让其运行在电流互感器的小变比，用电负荷较大时让其运行在大变比，以减少因超负荷或低负荷造成电流互感器的计量失准，从而导致的漏电或窃电。

4.实现复合变比转换的自动化

一是在实际电力计量过程中，当用电负荷增加到一定量，需要更换电流互感器的变比时，必须先停电才能从小变比换到大变比，不可能随着用电负荷的变化频繁更换电流互感器的大小变比。因此，用人工更换电流互感器变比的办法是不现实的。二是在更换了电流互感器的变比后，用电的倍率也发生变化。因此运行在不同变比时，计量电量不能真实反映实际用电量；为了得到准确数据就要使用两套计量装置来分别计量电量，这样在同一线路上使用两套或多套计量装置，这种方法可操作性不高。三是既使更改了电流互感器的变比，计量装置也不能计算出在某个变比下电流互感器的运行时间，因而无法准确计算出用电量。

针对以上问题，宁阳县供电公司在设计计量系统时采用复合变比电流互感器自控转换计量装置，这种装置是一种智能化自动转换变比的计量装置，与复合变比电流互感器配套使用，在运行过程中，会随时检测线路电流的变化，当线路电流增加到电流互感器小变比额定电流值时，即可转换到电流互感器的大变比运行，当线路运行电流下降到电流互感器大变比额定电流值的20%时，又自动转换到电流互感器的小变比运行，这样就完成了一个转换过程。在整个计量过程中，因在自动转换装置内部电路中已将两个不同变比的倍率调整成同一倍率，所以在整个变比转换过程中不需要分别记录运行时间，在整个过程计量用电量时，均可按一个统一的倍率计算实际用电量，从而实现了复合变比电流互感器的自动计量，宽范围计量。这种计量方式，在保证了电流互感器计量精度的同时，解决了电流互感器在低负荷和超负荷时的漏计量，因此，这种计量方式非常适用于日常型用电、季节性用电和负荷变化较大的电能计量客户，来杜绝低负荷和超负荷漏计量或窃电，降低线路损耗。

二、应用效果

宁阳县供电公司在设计阶段即优化电力计量用电流互感器的配置，取得了良好的效果。以磁窑变电站10kV高铁线为例，该线路原电流互感器变比600/5，线路上安装1000kVA变压器8台，变电容量达8000kVA，但是由于用电同时率忽高忽低，导致用电负荷变化较大，该线路电流有时在50A左右徘徊，有时能达到450A，在较小电流状态下，电流互感器不能准确计量，从而导致电量流失，将原电流互感器改装成一组200～600/5A的复合变比电流互感器和三倍率的自动转换计量装置后，运行了两个月后，电量损耗降低了2.95%。另以宁阳县阳光景园小区和弘盛现代城小区为例，两个小区变压器容量均为1600kVA，变压器型号相同，用电类型相同，月用电量相当，但是阳光景园小区的计量装置采用了复合变比电流互感器自动转换装置，而弘盛现代城小区的计量电流互感器为单变比，两者相比，阳光景园小区的电量损耗比弘盛现代城小区低4.2%。

三、结论

经过优化设计后的变电站出线或用户变电站，其计量装置一直在最佳状态下运行，运行一段时间后线损均出现不同程度的下降，有效的减少了由于严重的低负荷、超负荷所造成的漏计电量，使电能计量更准确，大大降低了线路损耗，有力促进了电力交易的公平性和合理性，同时为宁阳县供电公司创造了可观的经济效益。

参考文献：

[1]于国发.复合变比电流互感器自动转换计量装置[J].农村电气化，2004，（5）.

[2]陈文民.负荷不正常对计量的影响[J].农村电气化，2008，（5）.

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关键词：可靠度;桥梁结构;优化模型;设计研究方向；桩顶 ；分联墩盖梁

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

中图分类号：TU2 文献标识码： 文章编号：

引言

桥梁结构设计的基本原则是安全、适用和经济。传统的桥梁结构设计主要是采用定值设计的方法，既不能描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素，也不能定量地分析计算安全、适用及经济的各项指标，更无法科学地协调它们之间的矛盾，使它们达到合理的平衡。事实上，传统设计方法追求的是一个满足设计规范条件下的最低水平设计，因而提出新思路、研究新方法是十分必要的。

1、桥梁优化设计特点分析

结构优化设计在桥梁工程领域日益受到重视，但其应用的范围和程度还很不理想。其原因除了桥梁工程设计取费标准不利于推动优化技术之外，还可归结为桥梁工程结构优化问题的如下特点：

1.1桥梁工程结构设计中的大量不确定性。如外部环境(荷载和结构所处场地类型等)的不确定性、结构本身的不确定性(结构材料性能、截面几何参数和计算模式的精度等不确定因素导致的结构构件抗力的不确定性)、结构整体分析中由于模型简化的误差而导致的不确定性等。为了充分考虑所涉及到的各种不确定性因素(目前主要考虑随机性因素)，必须采用结构可靠度理论。

1.2桥梁工程结构设计准则的多重性。包括承载能力极限状态设计、正常使用极限状态设计以及与其它特殊功能要求相联系的极限状态。

1.3结构优化目标的多样性。对桥梁工程来说，人们既要求在目标方面考虑结构造价，还要考虑不同功能的失效概率和失效损失造成的失效损失期望、结构运行和维修费用等在内的经济指标，还可以以某些特定结构功能为目标。另外，目标函数的性质也很复杂，既有设计变量的显式函数(结构的重量或造价)，又有设计变量的非线性、高度隐式函数(结构的失效损失期望);而且由结构造价和结构损失期望的加权和所构成的统一目标函数不具有对设计变量的单调性。

2、桥梁设计中混凝土结构耐久性设计内容 2.1桥梁上部结构细部设计 ①桥面铺装。桥面铺装是桥梁与车辆直接接触的部件，也是桥面排水的第一道防线。桥面铺装一方面承受着汽车的冲击碾压剪切作用，另一方面又承受着主梁传递的反复应力和挠变，经常出现早期损坏，进而破坏桥面防水系统，最终导致主梁受桥面水影响而腐蚀主筋，铺装混凝土逐渐与主梁剥离，削弱了主梁的受力性能，影响了整个结构的安全性和耐久性。②桥面防水层。桥面铺装与主梁之间的防水层是防止桥面水渗入主梁的第二道防线。不少设计中仅单一采用防水混凝土进行防水。 由于防水混凝土属于刚性防水层，一旦开裂后防水性能便大为下降。③主梁。主梁是全桥的主要承力构件，一般在设计当中均要进行整体分析和局部分析，重视程度很高，从理论计算角度均能满足规范要求。可是在实际运营当中，主梁（主要是箱梁）箱体内长期大量积水的现象时有发生，甚至积水灌满箱体的情况也有发生，极大地损伤了主梁的预应力钢筋和普通钢筋，使得主梁安全性大大下降。究其原因，很大程度上是对于主梁细节设计的不到位，主梁排水构造设置不够完善，桥面积水在长时间不能排出桥外时便通过梁顶裂隙进入箱体，进而在箱体内不断积累，最终形成箱体内积水。④伸缩缝。伸缩缝是桥面的重要组成部分，直接影响着桥梁的伸缩性、舒适性。由于对主梁收缩徐变考虑不足，经常出现的问题是型号选择不当，导致梁端或在最高温度时挤压损坏，或在最低温度时拉坏梁体。伸缩缝在保证梁体纵向伸缩的同时，也应重视防水设计。在很多设计中，采用直线式伸缩缝，这样做固然设计比较方便，但在桥梁两端的护栏处成为主要的漏水区域。因此，建议选用横向两端有翘头的伸缩缝，使得整个伸缩缝形成一个闭合良好的U型槽，可以有效避免桥面积水沿伸缩缝这个排水薄弱环节下泄到分联梁端及分联墩盖梁上。

2.2桥梁下部结构的细部设计 分联墩盖梁 分联墩处由于上部结构设置伸缩缝，桥面水经常通过伸缩缝薄弱环节泄漏到分联墩盖梁上，尤其是采用除冰盐的地区，分联墩盖梁长期承受着腐蚀性除冰盐水的腐蚀。因此，分联墩盖梁顶面应该设置横坡以便排走桥面流下的水，并且要在盖梁保护层厚度方面重点考虑防腐蚀要求。另外，为了防止腐蚀性盐水顺墩身流下，避免对墩身和桩基产生不利的影响，设计中可在盖梁挑檐上设置滴水槽。桩顶 桥梁桩基安全直接决定着桥梁的整体安全，是桥梁设计的重中之重。桩基顶部与承台或墩身相连，受截面突变的影响，属于应力集中的部位。桥梁桩顶一般设计于地面线附近，受地面水、地下水、桥面排下的含除冰盐的冰水、地面土（尤其像盐渍土、土中有机质）等因素中的一种或几种的影响，经常处于干湿交替和腐蚀性环境，对于桩基顶部的钢筋混凝土耐久性产生较大的不利作用。因此，桩基尤其是桩顶的设计中必须要根据桩顶处的水位情况、土质情况合理判定环境等级，选择相应的耐久性设计标准，最终确定保护层厚度。

3、结构优化设计研究方向

基于可靠度的桥梁结构优化设计，重点研究和解决以下问题：

3.1研究符合桥梁结构特点的、实用可行的优化模型。

3.2研究桥梁结构各构件的逻辑功能关系。在结构体系可靠度理论中，研究较多较成熟的是“串联系统”，因此，如何将桥梁结构划分为若干具有串联关系的单元(单元可以是单个构件，也可以是构件的组合，这种组合可能出现并联关系或混合关系)，也是一个十分有意义的问题，可使问题得到简化。

3.3研究单元(构件)失效之间、失效模式之间的相关性问题。可靠度计算是结构优化过程中非常关键的环节，为此，合理考虑各单元(构件)失效间的相关性及失效模式间的相关性是非常重要的。

4、基于可靠度的结构优化水平的划分及公路桥梁结构优化设计

基于可靠度的结构优化方法按其设计变量的特性可划分为四个优化水平，分别是：水平一：截而优化，以截而尺寸作为设计变量;水平二：形状优化，以截而尺寸和描述形状的几何尺寸作为设计变量;水平二：结构优化，以截而尺寸、描述形状的几何尺寸和结构特性参数作为设计变量;水平四：总体优化，以截而尺寸、描述形状的几何尺寸、结构特性参数和材料参数作为设计变量。

公路桥梁结构优化设计 结构优化模型 基于可靠度的桥梁结构优化模型可以决策出各个构件的最优可靠度,各个构件的优化设计就是以最小的造价实现它的最优可靠度,这就将结构整体优化设计方法分成以下三个方面: 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。 确定目标函数 一般用全桥所设计的梁结构造价之和作为目标函数进行优化。首先,假设所设计的梁在使用期内失效概率为PF,其失效以达到或超过极限状态为标志,一旦结构损坏必须考虑重建。因此,桥梁结构的可靠度优化设计问题就归结为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PF,从而使总费用C最小。 minC=C1+ C2PF 式中,C:目标函数; C1:结构造价; C2:结构的损失期望,失效概率为PF时可能造成的失效结构的恢复费用。结构失效概率为PF。 确定约束条件 公路桥梁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桥梁工程,则是将公路桥梁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。

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一、透析教材的“点”――有效整合

在小学数学教材中，每一课教学内容都有起关键作用的知识点，这也是我们课堂教学的重点内容。因此，对于教材中的这一些知识点，我们要进行透析，做到有效整合。

1.把握知识本质点。由于小学生的年龄比较小，他们的思维能力是以形象思维为主，为了迎合学生的这一思维特点。在小学数学教材中，很多知识内容都以描述性的语言进行表述。例如，在“圆的认识”中，关于直径和半径的定义都是基于图形的，教材的呈现形式是“像AB这样的线段叫圆的直径”“OA这样的线段叫圆的半径”。

但是，作为一名小学数学老师，我们要明确相关概念的真正内涵，着眼完整的知识体系，去引领建立数学知识网。这是数学老师的根本要求。所以，数学教师阅读教材要读出这些概念的“本质”，把握准本质内容，还原数学真实面貌，再从源头思考，选择更合适的教学方式。

2.把握知识“联点”。所谓知识“联点”就是指知识点间的先后承接关系。在小学数学教材中，往往给我们呈现的是知识间的一种并列关系，实质上这是一种“假关联”的呈现方式。

例如，在小学数学教材中，三角形面积计算公式就是承接在长方形、平行四边形面积计算基础之上的。于是，很多老师会误认为这种先后性就是知识点间的关联。比如，正方形的周长计算和长方形周长计算。我们习惯上依正方形是特殊长方形这个标准，就在周长计算探索时也进行了这种关联假定，先学长方形周长，再学正方形周长计算。其实，正方形周长和长方形周长计算的基点都是周长的含义（所有边长之和就是封闭平面图形周长），这两个知识点是一种并列关系。所以，教学时我们完全可以打破教材的序列设定。而将正（长）方形周长计算置于平面图形周长计算这个基点上进行发散，实现知识的合理整合教学。

二、深读教材的“线”――深化实施

每一课都有一条突出教学内容的教学主线。但是新课程下的小学数学教材，往往图文并茂，教材中给我们呈现的是大量的情境图。这就需要我们去深入挖掘教材背后的知识主线，让这一条教学主线贯穿一堂课的始终，这样，我们进行教学设计时才能突出教学重点和关键。

例如，《2的乘法口诀》一课中，教材通过淘气帮妈妈分筷子这一情境图来呈现。什么是这一情境图后的知识“主线”呢？其实这一情境图的关键要素是“2”，因为一双筷子两根在生活中是固定的，与2的乘法口诀有直接关联。所以，“一双筷子2根”就是这个内容的主线，我们的教学设计就要围绕这条主线展开。

课堂上，我这样设计导课：小朋友都做过客吧。看淘气家今天要来客人啦，他正在帮妈妈活。（出示书上的图片：一个小朋友围着一张桌子在分一双双的筷子。）

师：你会分吗

师：小朋友们，一双筷子几根？

生：两根。

师：那她就是说相当于1个2，能用乘法式子表示拿1双筷子得到根数吗？

师：那，你能从拿2双、3双一直到9双，分别用乘法式子记录拿到根数吗？

请帮助淘气将分的结果记在表记录中。

学生在这一张表格的辅助下，进行了自主摆一摆边记录边交流。

这样通过一双筷子这个道具，为学生头脑中理解2的乘法口诀提供了最简洁的表象物，并形成了一条加强记忆的线索。我们解读教材，应该敏锐的发现素材中这类线索，并依此助推学生的思维水平提升。

三、拓展教材的“面”――迁移延伸

数学以学生思维能力发展为主目标，这是数学的学科主导价值。但新课标明确提出了“学生发展为本”的教育理念。这意味着我们数学课堂功能不能仅仅为了让学生增长数学知识，更应让学生体会学习意义，获得除知识理解外的素质提升。这可能也就是三维目标之情感价值观层面的目标。为此，教材主要选择了“话题”形式呈现许多人文素材内容。比如，“数学万花筒”“数学阅读”“生活资料引入”等。

“话题”是问题，但它更有人文性，是体现参与人主动性的问题。浸润参与主体公平的一种氛围，这种环境之中，学生的知识调动，交流互动，动手劳动等是积极的表现，有利于学生获得最积极的学习体验。所以“读教材”时要重视这些内容的审读。读出内容所涵盖的社会责任、历史情感等内容，并创设合适的机会让学生去感悟，升华个人的情感体验。

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一、优化设计对建筑节能的影响

1、设计方案影响工程建造直接能源消耗

在工程设计中，其建筑和结构方案的选择对建筑的直接能耗有较大影响，如建筑方案中的平面布置为内廊式还是外廊式、进深与开间的确定、立面形式的选择、层高与层数的确定、基础类型选用、结构形式选择等都存在着技术经济分析问题。中国住宅建设用钢平均每平方米55公斤，比发达国家高出10%~25%，水泥用量为221.5公斤，每一立方米混凝土比发达国家要多消耗80公斤水泥。据统计，在满足同样功能的条件下，技术经济合理的设计，可降低工程建造直接能源消耗5%～10%，甚至可达10%～20%，如某无线电厂的多层框架结构厂房(4层)，设计单位按常规设计为独立基础，由于多层厂房荷载较大，致使独立基础的单体尺寸较大，埋深较深(-3.2m)，事后经其他设计人员分析如采用柱下条基，可节约大量的砼，并可降低埋深减少土方开挖所消耗的机械能耗；某综合办公楼，在优化设计中，因改变原先设计中的普通钢筋为带肋钢筋，单此一项优化设计，共节约钢筋1000T，钢筋总节约率达30%左右。

2、设计方案影响建成后使用的能耗

建筑是牵涉到很多专业的复合体,并且完整的建筑节能工作包括了从最初的规划、方案到设计、施工,以及多年的运营使用,直至最后拆除重建的全生命周期过程。但以往只注重直接建造成本的降低，轻运营阶段能耗的使用情况。从住宅使用过程中的资源消耗看，与发达国家相比，我国住宅使用能耗为相同技术条件下发达国家的两到三倍。2020年，中国的建筑能耗将达到29430亿度电，比三峡电站34年的发电量总和还要多。现在，我们必须用全寿命周期的节能理念对建筑进行优化设计，即以较低的寿命周期能耗实现必要的功能，获得丰厚的寿命周期经济效益。所谓寿命周期能耗是指整个寿命周期过程中发生的全部能源消耗，包括建设、使用、维修、残值及清理等阶段所发生的能源消耗。设计不仅影响项目建设的一次性能耗，而且还影响使用阶段的能源消耗，如暖通、照明的能源消耗、清洁、保养、维修等，一次性建造能耗与经常性使用能耗有一定的反比关系，但通过优化设计可努力寻求这两者的最佳结合，使项目建设的全寿命费用最低，全寿命能耗达到最佳经济合理状态。建筑节能优化设计的途径主要是通过围护结构保温和气密性能的提高，以及采暖空调设备能效的提高等等，来达到减少空调和采暖等能源的消耗。在方案设计当中，建筑师需要对建筑的方位、体型、朝向进行优化，必需要为充分利用自然风、阳光等自然资源创造条件。同时，也必须对建筑材料优化；外墙、楼板、分户墙、屋面、玻璃、窗框的设计等都需要量化与优化；窗墙比须要以节能和居住舒适度为前提进行优化。从方案设计开始到初步设计，工程师需要根据不断调整的设计方案模拟量化建筑的能耗情况、计算空调和采暖设备的装机功率，比对各种影响因素，最后向客户提供最佳的设计方案。例如，在空调与采暖设备的市场上，各种品牌各种型号使消费者眼花缭乱。空调设备有空气源热泵、地源热泵、风机盘管、地板采暖、辐射制冷、采暖系统、户室中央空调、变频机组、水系统、冷媒系统等等。这些空调系统的初投资和运行费用大不相同，那么通过模拟量化，计算出初投资的费用、每年的耗能量、能源费用，消费者或者项目开发者就可以很容易地作出正确的决定。例如北京的一些奥运场馆中，为减少能耗，设计者没有采用普通的新风系统和空调系统，而是经过多次优化设计，寻找最佳节能方案。为实现自然通风和改善室内环境，采用了智能电动窗，很好的解决了新风问题；在场馆空调设计中（包括“水立方”和“鸟巢”）都采用了由美国联合技术开利公司设计的节能空调系统。该系统通过热回收技术在空调系统中的应用，节能率为10%。该系统在冷水机组上加装了热回收装置，在空气处理机中采用了新型热管热回收装置，可以回收场馆排放总热量的50%，回收的热能一部分用于加热游泳池水和生活用水，另一部分用于加热新风。

二、现阶段推行优化设计运作困难的成因

1、政府主管部门对建筑节能优化设计监控不力

长期以来，主管部门对设计节能成果缺乏必要的考核与评价，有的仅靠图纸会审来发现一些简单问题，仅仅是一些新材料或空间布置的一些规定。缺乏对方案的节能性方面的系统审查要求。建筑节能设计首先是一个系统设计问题，它绝不是多项节能技术或者节能设备的简单累加，它需要定量化。例如，人们在市场上可以买到节能空调、节能玻璃、节能热水器、太阳能热水器、墙体保温材料等等，但是这些材料与设备如何使用、使用哪种型号、用量多少、所起到的作用是什么就需要通过量化整合来完成。集思广益，从多方面影响因素出发，以最低的投资、最佳的手段完成并达到节能设计目标。所以建设主管部门监管的同时，应增加人员配备和审查力度，对设计节能成果进行量化全面审查。

2、业主要求优化设计的意识不强

目前，业主往往把控制重心放在施工直接投资环节上，而对建成后使用运营成本及节能优化设计环节重视不够。其原因：一是对设计对投资影响的重要性认识不够，只看到搞施工招标，投标价要低于标底价、施工单位要让利等，殊不知选择一个优秀的设计单位进行设计方案的优化会带来更大的节约；二是对建筑节能的认识不到位，没有一个节能环保绿色建筑意识。

3、建筑节能优化设计的开展缺乏必要的压力和动力

由于缺少建筑节能优化设计与企业和公众的直接经济利益联系，使得节能工作缺少内在经济利益推动力，政府部门建筑节能管理工作还存在体制不顺、监管体系不健全，造成执法不严、监督不力，国家政策不配套，缺乏激励机制和工作力度。对一些国有投资建设项目，有关行政审批单位在审核初步方案时，只注重设计的建设规模和投资限额，对方案的经济合理性和节能性不做深入研究分析；另外，由于现在的设计收费是按面积或按造价的比例计取，几乎跟建筑节能和设计质量的优劣无关，导致对设计方案不认真进行节能分析，而是追求高标准，造成能源浪费。相反，设计单位即使花费了较多的人力、物力，优化了设计方案，给业主节约了投资，也不能得到应有的报酬，有时设计费反而变少了，从而挫伤了优化设计的积极性。

三、搞好优化设计的几点建议

1、主管部门应加强对建筑节能优化设计工作的监控

为保证建筑节能优化设计工作的进行，开始可由政府主管部门来强制执行，通过对设计节能成果进行全面审查后方可实施。政府主管部门不仅需在技术法规与标准相结合方面做出努力，而且还需要政府以技术法规的形式提出必须严格控制的最基本的技术指标、技术要求、功能要求，可以导则、指南、技术标准等标准类技术文件予以体现。利用主管部门的职能，总结推广标准规范、标准设计、公布合理的技术经济指标及考核指标，为优化设计的进行提供良好服务。建筑节能技术新规范逐步从控制单项建筑维护结构(如外墙、外窗和屋顶)的最低保温隔热指标，转化为控制建筑物的实际能耗。新建建筑必须出具建造耗材经济指标、采暖需要能量、建筑能耗核心值和建筑热损失计算结果，特别是建筑结构热损失计算结果。建筑能耗总量（包括供暖、通风和热水供应）和建造能耗值只有满足其对应的节能标准才被允许开工及竣工验收。在竣工时，建筑开发商必须出具相关部门的一份“能源消耗证明”，证明清楚地列出了该住宅每年的能耗，及节能等级。以上措施，必须逐步实施，特别是国有投资项目要先于执行。

2、以政策扶持拉动建筑节能优化设计

国家制定节能政策，并要求以多样化的经济激励等扶持举措，形成推动建筑节能的市场机制，推进建筑节能优化设计的推广。对建造节能建筑产品的要根据优化设计后节能程度给予政策和资金支持，减免税费等优惠措施，并可建立评价机制，对因建造节能建筑而超支部分资金，国家应给予无偿免息贷款或奖励机制，使建筑节能优化设计以行政手段为主转向以经济手段为主。

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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.

关键词:锥体外观流胶槽改进硫化模启模板

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

作者简介:姓名:崔建勇,出生年:1975年,性别:男,民族:汉族;籍贯:河南新乡;职称:工程师;学位:学士

一、 问题概述

某机型产品所用“锥体”零件是通用零件,生产批量大,零件公差及外观要求严格,加工难度大,废品情况严重时可达34%,废品出现频次最多的是尺寸超差、外观不合格。为提高军品产品质量、减少浪费,立案对该零件加工进行改进。

二、 问题关键点

1) 零件概况

“锥体”零件(图1)在产品中是以A面参与密封的。因此对A面的外观要求为“零件表面不应有气泡、孔眼、杂质,允许有模型轻微磨损或加工不良的痕迹,表面凸起或脱落凹陷不大于0.1mm,模缝错位和毛刺不大于0.2mm”,在零件生产过程中A面的损伤以及加工不良直接造成零件报废。

2) 模具现状

型腔部分:现有模具(图2)在设计时,分模面选在B处,将R1.5分为上下两部分,但是为了降低加工难度将上模部分的R1.5取消,在打毛刺工序去除毛边的同时成型上部R1.5。

流胶槽部分:流胶槽设置情况为环绕型腔互相连通(图3)。

3) 生产中出现的问题

① 硫化过程中,经常出现的情况为5.5 0 -0.16mm尺寸超上差,是由于多余的胶料在将流胶槽填充满后,挤入上下分模面处造成的,为清除挤在分模面处的胶料就需要在压制时先预压(2~3)s,然后启开模具清除多余料边,这样会引起模缝错位过大,造成外圆尺寸超差。废品率达到10%~20%,浪费了大量的胶料。而且这一过程使压制时间延长了(3~5)分钟,造成生产效率下降。

② 在压制后启模时,零件留在下模难以取出,启出零件时需用铜针挑出,这样一来就造成A面损伤和分模面处掉块的现象,又产生大量的废品,废品率达到10%。整个硫化过程的废品率能达到将近30%,使得生产效率低下。

③ 在打毛刺工序,清除B处毛边时,由于上模部分的R1.5取消,在清除此处毛边时经常将A面靠近分模面的部分打伤,形成废品。这种情况引起的废品严重时会达到70%,一般情况下为15%~25%。

④ 0709-2-2批次投入1320件的原材料成品有898件。

三、 针对关键点的措施

① 针对5.5 0 -0.16 mm尺寸超上差的情况,我们对流胶槽设计进行改进,加工溢胶槽将两两互联的流胶槽与外界连通(图4),在保证型腔压力的情况下使多余胶料能顺畅的溢出模具外而不是挤在分模面处。这一方法不但保证了零件的高度尺寸稳定,而且减少了清除料边的时间提高了零件加工效率。

② 针对启模时,用铜针挑出零件,使A面损伤和分模面处掉块并且效率低下的现象,我们借鉴塑料模具的顶出机构,在模具结构方面进行改进(图5),在下模下方增加一层模板,启模后轻轻将中模向上启动再压下,用手将零件扫落即可,个别的用手捏下,再也不用将上模启开后挨个的挑取零件了,启模时间不到两分钟,大大地提高了生产效率。

③ 针对打毛刺工序出现的问题,参考180?“O”型圈的分模形式,将上模取消的R1.5加上。使得分模面在R1.5的最大外圆处,打毛刺时保证了A面完好,并且R1.5圆滑,毛边小,去除时比较轻松,不象原来的模具那样突出了一部分实体,去毛刺时费时费力,还易打伤A面。

四、 效果检查

2008年6月G4 6578/0036模具加工完毕,试模合格。又经过一批零件的加工试制,使用情况如下:

① 压制过程中,零件高度问题得到完美的解决,硫化过程中不需再启开模具清理毛边,多余的胶料都顺着与外界连通的流胶槽流到模具外,解决了多余胶料将型腔垫高的问题。压制过程中的废品率降为2%。

② 硫化完毕,启模时仅将中模板轻轻抬起再压下,即可将制品从凹槽内轻松启出(费时仅1.5分钟),不但损伤A面的问题得到解决,启模效率也得到提高。整个硫化过程的废品率降为1%~5%。

③ 打毛刺工序。模具改进后,B处类似于180?分模的“O”型圈,在旋转机床上清理毛刺,仅会在分模处留下一条无光泽带,不会像以往那样打伤A面。打毛刺工序工作难度得到降低,工作效率提高,并且废品率也直线下降。又经过两个批次观察(0803-1-1和0811-1-1),此工序废品率基本稳定在1%。

5、 结论与经验

这次模具优化设计的完成取得了良好的效果,解决了困扰我们多年的难题。2008年11月26日加工了一批共2060件,只投入原材料为2145件的消耗就顺利及时地进行了提交(废品率仅为4%)。

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关键词：结构优化；螺旋桨；有限元

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）35-8156-02

结构优化设计是一门新兴的技术科学，是以现代数学、现代力学的数值方法为基础，以电子计算机系统为工具，研究结构设计自动化和优化的理论和方法。飞行器、船舶、桥梁等的结构设计，其最重要的要求就是要使所设计的结构在外力作用下既有足够的强度和刚度，又要具有尽可能轻的结构重量或低的成本，从而改善其工作性能，并节约资源和提高经济效益。

空气螺旋桨飞机与涡扇飞机相比具有省油、对机场跑道要求低和便于空投救援等优点。作为载机平台，螺旋桨是吸收发动机功率并产生飞机飞行所需拉力的部件，是螺旋桨飞机前进的动力。研制先进的螺旋桨飞机，就必须研制先进的螺旋桨。螺旋桨是安装在航空发动机上的旋转动部件，又是主要的承力构件。在设计时既受结构尺寸的限制，又有重量约束。为此，对所设计的螺旋桨的主要受力件需进行强度分析，在满足强度和刚度要求的前提下，对螺旋桨的结构进行优化，以减轻螺旋桨重量。

鉴于目前国内对螺旋桨的整体结构优化设计没有形成一套完整的理论和方法，该文通过有限元法对某型螺旋桨的主要受力件进行静强度分析，根据分析的结果，从零件材料、产品结构和产品使用的角度进行优化，并对优化后的结果进行强度校核。根据分析结果，在确保结构安全性能可靠的前提下，保证有足够的强度和刚度，减轻螺旋桨整体重量，合理优化结构。

1 有限元分析方法及软件在螺旋桨结构分析中的应用

有限元方法主要包括计算原理、计算机软件、计算机硬件三个方面的应用与实施。有限元分析法主要是运用离散概念，把连续的弹性体进行划分，划分成一个集合体，这个集合体由无数有限小单元组成，通过单元分析和组合，得到一组联立的代数方程，最终求得数值解。它不但可以解决工程中的线性问题，非线性问题，而且对于各种不同性质的材料均能求解。将计算机软件应用于一定环境下的特定结构进行有限元分析时，对结构的分析模型、边界条件及载荷的模拟需要一定的经验和技巧。在对复杂结构进行整体分析建模过程中，可供选择使用的单元有上百种。求解的精度和收敛的速度取决于单元的选用、结点的布局、网格的生成。对应于不同的分析目标同样的工程结构，建立的模型是不一样的。这就要求分析者深入地理解和正确的判断所分析的物理问题。在很大程度上，分析模型与实际结构的差异决定了计算结果的正确性和可靠性。

螺旋桨由于整体结构、零件外形、受力复杂，利用MSC公司有限元软件Patran的MSC.Patran、MSC.Nastran模块，对螺旋桨的主要受力件包括桨壳、桨套、变距套筒、桨叶、螺桩进行强度分析。利用实体建模软件Catia对螺旋桨的复杂零件和主要受力件进行实体造型，利用Catia和有限元分析软件的接口将零件的实体导入MCS.Patran，对各零件进行简化处理和有限元建模，同时给各零件施加材料属性，加载和施加约束，最后提交给其后处理器Nastran进行计算，利用计算的应力结果结合设计经验从材料、结构和使用角度进行优化，以进一步降低螺旋桨重量。

利用MSC.Patran/ MSC.Nastran进行有限元线性静力分析的过程通常是：在有限元前处理软件“MSC.Patran”中创建几何模型，如果模型较复杂最好通过CAD软件创建，然后导入MSC.Patran进行前处理：划分网格、创建材料、赋单元特性、施加约束边界条件、加载。前处理完毕，提交解算器MSC.Nastran进行线性静力分析，最后读入分析结果，应力、应变、位移等量值以云图形式显示出来。分析比较应力、应变值及其位置是否合理。

传统的结构优化一般是凭借经验或者参照已有的工程实例，通过比拟的方法进行设计。由于机械结构形式的多变性、建立的数学模型的复杂性、选用的优化方法的有效性，在机械行业选用不同的初始设计方法尤为重要。

以计算机为基础的结构优化设计就是：在规定的各种设计限制条件下，将实际设计问题首先转为最优化问题，然后运用最优化理论和方法在计算机上自动调优计算。

结构优化的基本步骤：一、以工程问题为基础，把工程问题转化为数学问题，即建立数学模型；二、根据工程问题的实际情况选择适合的优化方法。

建立数学模型包括选定设计变量和目标函数，建立约束方程等。结构优化数学模型一般由设计变量、目标函数和状态变量（约束条件）三要素构成。

按照设计变量的难易程度结构优化设计划分，可分为尺寸变量、形状变量和拓扑变量等，对这些不同的变量进行的结构优化设计分别被称为：尺寸优化、形状优化和拓扑优化。

尺寸优化：将结构的尺寸参数作为设计变量，修改结构单元的尺寸进行的优化设计；形状优化：将结构的形状参数作为设计变量，调整设计的可行域的边界和形状，最终得到最优的几何形状和可行域的边界；拓扑优化：在结构内部寻找承力最小的部位即非实体区域的部位进行优化，使结构得到最优的配置。综上所述，工程结构优化设计可以划分为三个不同的层次，这三个层次的优化代表了工程设计人员对于要设计的工程结构，从概念设计阶段到基本设计阶段，再到最后的详细设计阶段这样一个连续的过程。

3 螺旋桨结构优化程序及结论

螺旋桨的机构优化将有限元方法和设计经验相结合，对螺旋桨各主要受力零部件的强度进行有限元分析，根据分析结果，从材料选择、加工工艺和产品使用角度对螺旋桨整体结构进行改进，使螺旋桨整体重量减轻，并对改进后的强度进行校核。主要包括以下几方面：

a）主要对螺旋桨承受的载荷、受力情况、产品工作的原理、各部件连接形式和结构特点进行分析。

b）利用Catia软件建立某型螺旋桨主要受力件（包括桨壳、桨叶、桨套、变距套筒、连杆、螺桩、拨套）的实体模型。简化各零部件的受力情况和约束情况，并选择合理的单元类型和网格划分方法，然后根据分析类型合理施加载荷和约束之后得到一个有限元分析模型。

c）选择合适的解算器计算主要受力件的应力和应变，根据计算结果，发现结构的薄弱环节，并以此分析结果作为结构改进或优化设计的依据。

d）根据分析结果确定结构优化方案，对优化结构再进行强度校核，并与优化前结构进行对比分析，达到减重的目的。

参考文献：

[1] 夏人伟.张永顺.结构优化设计基础[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1984.

[2] 刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[3] 柳晓黎.Y8飞机空中起动负拉力测试研究[J].飞行力学学报，1996（7）.

[4] 李恒熙.基于ANSYS的CK6136数控车床的有限元分析及优化设计[D].东南大学，2006.

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关键词: 桩筏基础, 设计方法, 数值分析,减沉设计, 变刚度调平设计

1． 引言

桩筏基础顾名思义是由桩基和筏基共同组成，属于混合基础型式，在软土地区使用较多，桩筏基础传统的计算方法是采用结构力学的方法，将整个静力平衡体系分割成上部结构、基础和地基三个部分，各自独立求解。对筏板一般采用倒梁法或倒楼盖法，显然这样各自独立求解的计算结果与实际工作状态是不相符的，忽视了上部结构与基础之间以及基础与地基之间的变形连续条件, 造成了计算的偏差。因此，寻求桩基础设计的简化和优化方法，是设计人员的迫切课题，许多学者在这方面进行了卓有成效的工作，提出了各种考虑桩土相互作用的优化设计方法，有的方法己经应用于实际工程，取得了可观的效益。

2． 桩筏基础设计思路

对于摩擦群桩或端承摩擦群桩的桩筏基础，其主控因素一是建筑物的沉降和不均匀沉降，二是地基的承载力。目前常见的设计思想是按承载力控制设计思路和按沉降控制设计的思路。在深厚土层特别是深厚软土层中的桩筏基础的失效，绝大多数是由于总体沉降或差异沉降过大造成的。这种情况下，采用以沉降控制设计的思路较为合适。而在土质坚硬，压缩性较小的地区，显然按承载力控制设计较为合理。桩筏基础优化设计的发展方向是考虑了桩土的共同作用，主要有以下几种方法。

3． 桩筏基础优化设计的几种方法

3.1上部结构与地基基础共同作用的分析法

共同作用分析的方法就是把上部结构、地基和基础看成一个彼此协调的工作整体, 在满足边界变形的情况下得到各部分的内力和变形, 从而较真实地反映建筑物的实际工作状态。JGJ 699 高层建筑箱形与筏形基础技术规范中采用了等代刚度的计算公式,适当考虑了上部结构刚度的贡献, 这还是不够的。由于桩筏基础与地基共同作用分析是一个复杂的力学问题, 解析法和半解析法很难得到应用。因此, 数值方法成为筏板分析的首选方法, 一般以有限元法为基础。将上部结构、基础和地基作为一个整体的计算域, 统一划分单元, 分别求出三部分的刚度矩阵, 依次叠加, 并通过力的平衡和变形协调条件来建立分析的基本方程, 进行位移和内力的求解。计算中可采用用诸如“子结构”等等能减少未知数、节省存贮量的计算方法。

实际计算时可采用ANSYS 等有限元软件建立三维模型, 使用以下两种方法建模分析。

①桩采用杆单元, 土采用实体单元

上部结构、基础和地基共同作用有限元方程可用下式表示:

其中, 分别为上部结构刚度矩阵、基础结构刚度矩阵、桩身分割为杆单元后的刚度矩阵及地基土的弹塑性支承刚度矩阵； 分别为荷载向量及位移向量。对于基础刚度很大的情况, 还应考虑土的非线性性质。如文献中, 将上述有限元法用于桩筏基础共同作用数值分析, 得出基础沉降、桩土荷载分担比等与实测结果吻合较好。该方法在一定范围内得到了较好应用, 但由于求解的未知数的数量很大, 运用于复杂结构的求解存在困难。

②桩简化为弹簧的分析法

将桩简化为作用在筏板下面具有一定刚度的弹簧, 弹簧刚度根据桩顶平均荷载和桩顶沉降来计算。分析模型如图1 所示, 体系的基本方程可写成:

求解上述方程可得出筏板节点位移, 从而进一步计算筏板内力、挠度、桩反力等一系列结果。将该方法运用于实际工程, 证实了这种分析方法使用方便, 计算结果较为理想,而且避免了计算桩端下卧层应力场的繁琐。

3.2 减沉设计

① 减沉设计的基本原理

减沉设计是指按沉降控制为原则设计桩筏基础。减沉设计概念主要应用于软土地基上多层建筑设计，在软土地基的基础设计中，有时决定采用桩基主要并不是因为邻近地表的土层强度不足，而是较深处的软弱土层产生过大沉降的缘故，这时可采用数量较少的桩使沉降量减小到允许的范围内, 这种桩一般是摩擦桩，在承台产生一定沉降的情况下，桩可充分发挥并能继续保持其全部极限承载力，能有效地减小沉降量。同时，承台或筏板也能分担部分荷载，与按桩承担全部荷载设计的桩基相比，根据不同的容许沉降量要求，用桩量有可能大幅度减少，桩的长度也可能减短，因而可以获得较好的经济效果。

② 减沉设计的内容

1) 桩长及桩身断面选择: 选择桩长应尽可能穿过压缩性高的土层, 桩端持力层压缩性应相对较低。在承台产生一定沉降时桩仍可充分发挥并能继续保持其全部极限承载力: 选择桩身断面应使桩身结构强度确定的单桩容许承载力与地基土对桩的极限承载力二者匹配, 以充分发挥桩身材料的承载能力。

2) 承台埋深及其地面尺寸的初步确定：首先按外荷载，全部由承台承担时其极限承载力仍有一定安全储备的原则, 先初步确定承台的埋深及其底面尺寸，然后确定减沉设计的用桩量, 再验算承台的初步尺寸, 并给予调整。

3) 不同用桩数量时桩基沉降计算：根据初定的承台埋深及其底面尺寸，原定若干种不同的用桩数量方案, 分别计算相应的沉降量，从而得到沉降s与桩数n 的关系曲线, 减少沉降桩基础的桩距一般应大于6d，桩的分布与建筑物竖向荷载相对应。

4) 按建筑物容许沉降量确定实际用桩数量: 根据沉降s与桩数n 关系曲线, 按建筑物容许沉降量确定桩基实际所需的用桩数量。在用桩数量确定后，再按已经选定的桩数和初步确定的承台埋深及底面尺寸计算其极限荷载，验算安全系数或调整承台埋深及底面尺寸,以确保合理的安全度。减沉桩基础桩距较常规桩筏基础布桩要大，一般至少大于4倍～6 倍桩径，故其介于天然地基浅基础与桩基础之间。因而减沉桩基础也称之为控制变形疏桩基础。对于减沉桩筏基础的沉降计算则应结合当地经验考虑桩同作用。将筏板进行有限单元剖分，可得到上部结构基础地基( 桩土)共同工作分析方程表达：

其中,为上部结构荷载;为上部结构刚度凝聚;为厚筏或其他形式基础的荷载;为厚筏或其他形式基础的刚度；为地基或桩土的刚度凝聚;为基础位移。尽管上式中各项的计算都很复杂，但是运用目前的既有方法都是可以解决的。要考虑的问题是：就目前采用连续介质弹性理论计算所得到的沉降偏离实测值过大，计算一般显著大于实测，这样就使得共同工作分析成果的实际价值降低。如何运用共同工作分析的成果优化设计是在共同工作分析中要重视的问题，而优化设计的关键乃是尽量减小差异沉降，从而降低筏板内力和上部结构次应力，减小筏板配筋和用钢量，提高桩筏基础的可靠性。为此，提出变刚度调平设计的概念和方法。这也是发展控制变形设计的一个重要方面。

3.3 变刚度调平设计

①变刚度调平设计的内容

在桩筏变刚度调平设计中，群桩刚度与单一筏板刚度的比值最为关键。最合适的值与桩筏面积比有关，且当有关桩筏面积比范围为16%～25%时值接近于1。当桩筏面积比较大时，为减少沉降差， 值应稍微增加。考虑到桩的非线性，比完全弹性分析所得到的稍大( 约50%)， 值可能更为合适。为减小桩的承载能力明显发挥(大于50%)后的沉降差，只要= 1的条件满足，任何实际桩长都可采用。当然为获得桩承载特性的合理发挥，桩的承载力应以侧摩阻力为主，而不是桩端阻力。研究表明，桩的总承载力发挥的强度与桩的极限承载力的比值m 不应超过0.8，以避免沉降差明显增加，在m

对无限大地基上的局部区域，其沉降应与该区域的荷载成正比，而与其刚度成反比。地基局部区域沉降较大，是该处荷载较大而刚度较小所致。削减该处的荷载或增大该处的刚度就可以减少该处的沉降，高层建筑桩筏基础的荷载分布是由上部结构确定的，而上部结构由于受到功能的限制，一般很难进行调整。只能调整基础的刚度，对于桩筏基础，可通过变化板厚、设置肋梁，缩小墙距等调整基础刚度分布。但费用往往很高，因此减少某处的沉降或进行调平设计主要是针对筏底布桩与筏底地基土。调整地基桩土刚度分布不仅可行而且调平效果显著，是变刚度调平设计的中心内容。首先，主裙楼的地基基础可采用不同形式,以适应上部结构荷载的分布状况。当采用桩基和复合地基时，可通过调整布桩及处理范围形成桩土变刚度分布。是改变桩的平面布置、桩数、桩长、桩径以改变桩土刚度，还是采用复合地基改变筏底地基土和桩─土界面的性质，选择的标准只能是技术可行性与经济合理性。一般来讲,对桩筏基础,桩在基础中占主导地位，改变基桩的参数效果显著。

②变刚度调平设计的步骤

1) 按建筑物性质、荷载、地质条件等进行初始布桩并确定板厚。2) 对上部结构、桩筏基础与地基共同作用进行分析，绘制沉降等值线。3) 对沉降等值线进行分析，当天然地基总体沉降不大而局部沉降过大时，根据具体条件，对沉降过大部分采用局部加强处理。如采用筏底布桩或复合地基, 在桩基沉降较小部位，应抽掉一部分桩；或视土层情况适当缩短桩长或减小桩径。对沉降较大的部位, 应适当加密布桩或视土层情况，适当增加桩径桩长,重新形成刚度体系。4) 进行共同工作迭代计算, 直至沉降差减到最小。在此过程中, 可根据沉降等值线, 判断主裙楼间是否设置后浇带或沉降缝，是否需对基础板厚和构造进行调整等。显然，调平设计的关键在于合理地计算桩筏基础的沉降分布与沉降差。因此，调平设计的沉降分析比减沉设计的要求更高。过去人们一直认为：与承载力计算相比, 沉降计算更困难且更不可靠。C.通过沉降分析计算程序的开发研究认为：对传统承载力设计和大数量的桩基，基于小变形模量的线弹性分析是完全合适的；对低安全系数和小数量的桩基(如减沉设计桩群) 需进行非线性分析；基于割线模量的等效线弹性分析，在概念上是错误的；如果采用恰当的数学模型、最大相互作用间距等，利用简化分析方法足以满足工程目的。

4 结语

1) 桩筏基础设计是双控的，从优化角度理解，承载力和沉降条件仅仅是两个约束条件。在特定条件下，承载力和沉降往往只是其中一个起主控作用。在深厚软粘土地基上的桩筏基础, 沉降往往是设计的主控要素，应提倡以沉降控制设计的设计思想。

2) 以沉降控制为原则的减沉设计与变刚度调平设计，改变了传统桩基设计概念，取桩基与天然地基之长, 达到扬长避短的作用。实际工程实例证明上述思路是正确的，并在实际工程中取得了很好的经济效益。

参考文献

[1] 董建国 赵锡宏《高层建筑地基基础》同济大学出版社1997[2] 赵东亮 《减沉桩筏板基础设计》 基础工程，2001

[3] 朱炳寅 《建筑地基基础设计方法及实例分析》中国建筑工业出版社2007