Отрасль
Промышленное строительство / Мачтовые и башенные конструкции
Проект реализован компанией PLM Урал совместно с Sigma Technology с применением систем ANSYS (КЭ-анализ) и IOSO PM (Sigma Technology). Докладчик: Дмитрий Фролов, инженер технической поддержки, PLM Урал.
Технический кейс: Оптимизация конструкции металлической башни при помощи инструментов ANSYS и IOSO / Optimization of Metal Tower Structure Using ANSYS and IOSO Tools
Задача
Требовалось найти оптимальную конфигурацию стальной решётчатой башни высотой 20 м (10 секций по 2 м) с антенным оборудованием массой 100 кг и наветренной площадью 3 м². Оптимизатор должен был одновременно минимизировать два конкурирующих показателя: суммарную массу конструкции (с ограничением до 4 т) и максимальное горизонтальное отклонение вершины башни при ветровой нагрузке, рассчитанной по российским нормам СНиП 2.01.07-85* (ветровой район I, тип местности B).
Исходные ограничения и сложности
Колоссальное пространство вариантов. Четыре дискретных проектных параметра — ширина основания секции, число делений секции по высоте, номер сечения стоек и номер сечения раскосов и распорок — в совокупности формировали пространство поиска, насчитывающее более 10 миллионов возможных комбинаций. Полный перебор был заведомо невозможен.
Многоэтапность расчётного цикла. Для корректной оценки каждого варианта конструкции требовалось выполнить три последовательных расчёта в ANSYS: модальный анализ для определения первой собственной частоты с учётом массы антенного оборудования, а также два статических расчёта — при фронтальной и диагональной ветровой нагрузке.
Нормативная проверка устойчивости. Помимо стандартных прочностных расчётов, для каждого варианта требовалась автоматическая проверка устойчивости стоек и раскосов в соответствии с требованиями СНиП II-23-81*, реализованная средствами языка APDL. Без автоматизации этой процедуры оценка каждого нового варианта потребовала бы значительных ручных трудозатрат.
Дискретность переменных. В отличие от непрерывных задач оптимизации, параметры сечений профилей принимают лишь дискретные значения из стандартного сортамента, что существенно усложняет применение градиентных методов поиска.
Подход и решение
Параметрическая конечно-элементная модель башни была создана в ANSYS с полной автоматизацией построения геометрии, формирования нагрузок и выполнения всех трёх расчётных сценариев. Проверка несущих элементов по нормам реализована в виде APDL-скрипта, запускаемого автоматически после каждого расчёта.
Внешний оптимизатор IOSO PM управлял перебором вариантов через файловый обмен входных и выходных параметров, не требуя встраивания в расчётную среду ANSYS. Такая архитектура позволила легко интегрировать оптимизатор с существующим расчётным сценарием.
Из более чем 10 миллионов возможных комбинаций IOSO выполнил расчёт около 500 вариантов и выделил 50 Парето-оптимальных точек, отображающих зависимость массы конструкции от горизонтального отклонения вершины башни.
Результаты
Оптимальная конфигурация башни, найденная в ходе оптимизации:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Ширина основания | 1,15 м |
| Сечение стоек | Угловой профиль 125×8 мм |
| Сечение раскосов и распорок | Угловой профиль 45×3 мм |
| Число делений по высоте в секции | 1 |
| Масса конструкции | 1 800 кг |
Достигнутая масса конструкции составила 1 800 кг — более чем вдвое меньше допустимого ограничения в 4 000 кг. При этом все условия прочности, устойчивости по СНиП II-23-81* и допустимого горизонтального отклонения вершины были полностью соблюдены.
Ценность для заказчика
Радикальное снижение металлоёмкости. Масса оптимизированной конструкции более чем вдвое ниже допустимого предела, что означает прямую экономию металла и сварочных работ — особенно значимую при серийном производстве типовых башен.
Эффективное исследование миллионов вариантов. IOSO позволил найти оптимальное решение, просчитав лишь около 500 из более чем 10 миллионов возможных комбинаций — то есть менее 0,005% пространства поиска, — что принципиально недостижимо при ручном или полном переборе.
Полная автоматизация нормативной проверки. Разработанный APDL-скрипт проверки по СНиП II-23-81* исключает ручной труд при оценке соответствия каждого нового варианта нормативным требованиям, существенно сокращая время на верификацию проектных решений.
Универсальность подхода. Разработанная методология одинаково применима как к типовым изделиям серийного производства, так и к уникальным несущим сооружениям с нестандартными нагрузками и геометрией, что делает её универсальным инструментом для проектных организаций в области промышленного строительства.
