Отрасль
Архитектура / Металлоконструкции / Городское оформление
Проект реализован совместно лабораторией CompMechLab, научно-исследовательским центром YTI Университета прикладных наук (Миккели, Финляндия) и британской студией Wolfgang Buttress в рамках международного практического семинара CompMechWorkShop с применением систем ANSYS (КЭ-анализ) и IOSO NM (Sigma Technology).
Задача
В рамках проекта требовалось провести многокритериальную оптимизацию металлоконструкции декоративного архитектурного элемента для городского оформления. Объект представлял собой серпообразный монумент из тонкостенного стального профиля высотой 18 м, шириной 20 м и длиной дуги около 40 м.
Оптимизатор должен был одновременно минимизировать два конкурирующих показателя — массу конструкции и максимальное перемещение острия под действием ветровой нагрузки — при соблюдении всех нормативных требований по прочности и жёсткости.
Исходные ограничения и сложности
Нормативные требования. Конструкция должна была соответствовать британским строительным нормам и международным стандартам ANSI/ASCE 7-88 и ANSI A58.1-82. Ветровая нагрузка рассчитывалась для скорости ветра 31,65 м/с.
Геометрическая сложность. Монумент состоит из пяти секций с равносторонним треугольным поперечным профилем, размеры которого плавно уменьшаются от основания (сторона 1 м) к острию (сторона 10 см), что требовало тщательной параметризации модели.
Противоречие критериев оптимизации. Снижение массы конструкции за счёт уменьшения толщин профиля неизбежно увеличивает гибкость и перемещения острия, тогда как повышение жёсткости влечёт рост металлоёмкости. Единственного «наилучшего» решения не существует — требовалось построить полный спектр компромиссных вариантов.
Прочностные ограничения. Максимальные напряжения в конструкции не должны были превышать 300 МПа, а перемещения острия — 3,5 м. Оба ограничения должны соблюдаться для каждого рассматриваемого варианта толщин профиля в пяти секциях.
Подход и решение
В системе КЭ-анализа ANSYS была создана параметрическая конечно-элементная модель монумента с автоматическим расчётом ветровой нагрузки по заданному нормативному сценарию. Пять проектных параметров — толщины профиля в каждой из пяти секций — передавались оптимизатору как управляемые переменные.
Для управления оптимизационным циклом применялась система IOSO NM, реализующая многокритериальный поиск без вычисления градиентов целевых функций. За 300 итераций оптимизатор исследовал пространство допустимых решений и сформировал множество Парето-оптимальных конфигураций, отображённых на графике зависимости «масса — максимальное перемещение острия».
Результаты
По итогам оптимизации было получено 33 Парето-оптимальных решения, охватывающих следующий диапазон характеристик:
| Вариант | Масса конструкции | Перемещение острия |
|---|---|---|
| Минимальная масса | ~2,9 т | ~3,4 м |
| Промежуточный | ~4,0 т | ~2,3 м |
| Минимальное перемещение | ~5,6 т | ~1,5 м |
Для каждого из трёх характерных решений были получены карты распределения эквивалентных напряжений по Мизесу в деформированном состоянии, подтверждающие соблюдение прочностных ограничений во всех вариантах.
Ценность для заказчика
Готовое множество обоснованных проектных решений. Архитекторы и конструкторы получили не единственный вариант, а полный спектр допустимых конфигураций, из которых можно выбрать оптимальный в зависимости от приоритета — минимизация стоимости материала или максимальная жёсткость конструкции.
Количественное обоснование перед заказчиком. Результаты оптимизации позволяют предъявить заказчику наглядный график компромиссов «масса — жёсткость» с конкретными числовыми значениями, что исключает избыточный запас прочности и одновременно гарантирует соответствие нормам.
Соответствие международным стандартам. Автоматическая проверка прочностных ограничений на каждой итерации обеспечивает соответствие всех решений на кривой Парето требованиям ANSI/ASCE 7-88 и ANSI A58.1-82 без дополнительных ручных проверок.
Применимость к уникальным архитектурным объектам. Разработанная методология параметрической оптимизации тонкостенных пространственных конструкций переменного сечения применима к широкому классу нестандартных архитектурных элементов городской среды.
