预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法

本发明涉及模具设计技术，具体涉及一种预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法。

背景技术：

1、预制混凝土楼梯模具是用于工厂生产的基础构件，由钢板焊接组装而成，根据预制楼梯浇筑方式的不同,模具分为立式模具和卧式模具，卧式模具虽然用钢量较少，但未被模具包裹的实体面积大，表面抹平处理依赖大量人力投入，而立式模具未被模具包裹的实体面积小，浇筑质量可靠，广泛用于预制工厂。

2、预制楼梯是一种独立的预制混凝土构件，预制率高，为了保证预制楼梯模具的可靠性，设计师常常依赖项目经验过度设计，所设计的模具经济效益差，尽管模具设计单位常通过组合模具、共模等方式来降低生产成本，但实际效果并不好。

3、因此，亟需提供一种新型发预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法来解决上述技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，采用有限元分析完成模具设计方案的验证，采用nsga-ii算法根据适应度值进行非支配排序和拥挤度计算，选择排序靠前的多个个体，按照设计需求自动提供最优的一种或多种设计方案供设计师备选。

2、为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

3、一种预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，其关键在于，包括以下步骤：

4、s1：按照连接方式将预制混凝土楼梯模具拆分成多个组合件，且将每个组合件拆分成多个模具部件；

5、s2：对每个模具部件的数量和尺寸进行参数化描述；

6、s3：根据预制混凝土楼梯的几何参数和模具设计参数确定模型平面控制点，并由所述模型平面控制点确定模具部件平面位置；

7、s4：建立模具参数化模型；

8、s5：利用有限元软件对已建立的模具参数化模型进行网格划分；设置模具部件的几何特性、材料特性、边界条件，模拟浇筑混凝土时模具受侧向水压力作用的荷载工况，并在所述荷载工况下进行有限元分析；

9、s6：根据有限元分析结果，获取模具所有节点的最大侧向变形；

10、s7：建立模具多目标优化模型，优化变量为模具设计方案，优化目标为经济性和加工便利性评价指标，约束条件为模具可靠性评价指标；

11、s8：采用nsga-ii算法求解多目标优化模型的优化设计方案；

12、s9：根据所述优化设计方案，利用opencascade技术建立模具brep模型，然后利用消隐和剖切算法获取模具各部件平面数据，最后在图纸模板文件中绘制图形，即得模具部件生产数据。

13、可选地，所述模具部件由钢板组成，模具部件之间通过焊缝连接，各个组合件之间通过螺栓连接。以常见的楼梯模具为例，模具外形包括底模、弯折前侧模、平板后侧模、左端模、右端模、约束构件，弯折前侧模和平板后侧模相对设置，并通过螺栓、定位钉与底模连接，同时前侧模与后侧模通过约束构件(槽钢和拉杆)连接。

14、可选地，步骤s5中进行有限元分析时，有限元模型采用壳单元模型。

15、可选地，步骤s6中根据有限元分析结果，自动提取前侧和后侧模具侧向最大变形值。

16、可选地，步骤s7中的模具设计方案为各部件的几何尺寸、板厚、数量，模具可靠性评价指标指最大侧向变形满足规范要求，根据《装配式混凝土建筑技术标准》gb/t51231-2016规范要求，模具最大侧向变形不超过最长边的1/1500，模具加工便利性评价指标是指对肋板的数量、面板的厚度、肋板的厚度种类数目限制要求，通常会考虑模具面板焊接不能穿透和便于弯折的需求，限制模具部件的最小和最大板厚；同时考虑焊接和安装工作量的需求，限制模具横向和纵向肋板的数量；此外，为提高钢部件原始板材的利用率，减少模具不同板厚的种类。

17、可选地，采用nsga-ii算法求解多目标优化模型的最优设计方案时，在每一代中利用选择、交叉、变异操作，计算所有个体的适应度值，并进行非支配排序和拥挤度计算，将排序靠前的一定数量个体组成新一代种群，通过迭代优化，当满足最大迭代次数或收敛条件时，输出排序靠前的一定数量个体即为备选的优化设计方案。nsga-ii算法全称为非支配排序遗传算法，该算法本质是一种遗传算法，其选择、交叉、变异算子与遗传算法相同，相比遗传算法，该算法增加了非支配排序和拥挤度操作，在进行模具多目标优化设计时，采用了四舍五入策略，将个体的每个维度转化为整数，便于有限元建模和分析。

18、可选地，步骤s9中按照1：1在dxf模板文件中绘制图形。

19、可选地，根据所述优化设计方案，利用opencascade技术自动生成dxf生产数据，激光切割设备直接读取所述dxf生产数据完成模具部件切割加工。

20、可选地，步骤s5中有限元按照固定长度和固定间隔数对模具部件进行网格划分，形成四边形壳单元。

21、与现有技术相比，本发明提供的一种预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，具有以下有益效果：

22、采用本发明提出的方法，能够对模具设计方案合理性提供理论依据，同时按照不同的设计需求，提供多种备选模具设计方案，通过模具多目标优化设计，可高效地完成模具的设计任务，提供多样化需求的模具设计方案，降低模具材料和加工成本。

技术特征：

1.一种预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，其特征在于：所述模具部件由钢板组成，模具部件之间通过焊缝连接，各个组合件之间通过螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，其特征在于：步骤s5中进行有限元分析时，有限元模型采用壳单元模型。

4.根据权利要求1-3任一所述的预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，其特征在于，步骤s6中根据有限元分析结果，自动提取前侧和后侧模具侧向最大变形值。

5.根据权利要求1所述的预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，其特征在于，步骤s7中的模具设计方案为各部件的几何尺寸、板厚、数量，模具可靠性评价指标指最大侧向变形满足规范要求，模具加工便利性评价指标是指对肋板的数量、面板的厚度、肋板的厚度种类数目限制要求。

6.根据权利要求5所述的预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，其特征在于，采用nsga-ii算法求解多目标优化模型的最优设计方案时，在每一代中利用选择、交叉、变异操作，计算所有个体的适应度值，并进行非支配排序和拥挤度计算，将排序靠前的一定数量个体组成新一代种群，通过迭代优化，当满足最大迭代次数或收敛条件时，输出排序靠前的一定数量个体即为备选的优化设计方案。

7.根据权利要求6所述的预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，其特征在于，步骤s9中按照1：1在dxf模板文件中绘制图形。

8.根据权利要求6或7所述的预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，其特征在于，根据所述优化设计方案，利用opencascade技术自动生成dxf生产数据，激光切割设备直接读取所述dxf生产数据完成模具部件切割加工。

9.根据权利要求1或3所述的预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，其特征在于，步骤s5中有限元按照固定长度和固定间隔数对模具部件进行网格划分，形成四边形壳单元。

技术总结本发明公开一种预制混凝土楼梯模具多目标优化设计方法，步骤包括：S1：将预制混凝土楼梯模具拆分成多个模具部件；S2：对每个模具部件的数量和尺寸进行参数化描述；S3：确定模型平面控制点，并确定模具部件平面位置；S4：建立模具参数化模型；S5：利用有限元软件进行网格划分并在荷载工况下进行有限元分析；S6：获取模具所有节点的最大侧向变形；S7：建立模具多目标优化模型；S8：采用NSGA‑II算法求解多目标优化模型的优化设计方案；S9：根据优化设计方案，利用OPENCASCADE技术建立模具BRep模型，后在图纸模板文件中绘制图形。其效果是：能够对模具设计方案合理性提供理论依据，同时按照不同的设计需求，提供多种备选模具设计方案，降低模具材料和加工成本。技术研发人员：刘界鹏,张超,许成然,周绪红,刘锦礼受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18