本文是一篇建筑工程管理论文，本文主要对施工建筑上的工程养护室压缩机连杆结构，进行了一般工况下的荷载理论分析，从其工作情况分析，一般可简化分为拉伸与压缩两个不同的运动工作状态，根据连杆结构的受力特点及其安全性能考虑，需要对其进行了必要的静力学分析、模态分析、疲劳性分析，根据计算结果得出试验结论与数据。最后详细地介绍了，优化发展历程及其优化设计的特点，并着重介绍了拓扑优化是在三种类别的优化中效果最好，所以为了能更好地提高结构材料的性能，最终采用拓扑优化变密度法（SIMP）进行优化设计。
第一章绪论
1.1 研究背景及意义
随着新兴交叉学科的发展与融合，为了能让工程行业更好地适应现代信息化的进程，可以将计算机优化技术与施工技术有机地结合。尤其在当今社会随着建筑施工行业的不断发展，在施工的现场需要测定一些建筑试件，或者对一些技术条件要求较高的试件样品进行储存，所以在施工情况恶劣的环境下要求储存设备性能好、资源利用效率高的养护室就成了必需品，同时也对工程养护室制冷设备的性能提出了更高的要求。面对日益严峻的环境保护与工业资源匮乏问题，如何在有限的资源下，最大限度利用与节约资源，成为社会亟待解决的主要问题。制冷式压缩机是工程养护室制冷的关键设备，一般情况下在养护室外机上的压缩机一般为涡旋压缩机，但由于其涡旋式压缩机其结构复杂并不好优化，所以采用的类比也可以 是功率较小应 用较为成熟的连 杆式压缩 机也能满足一些微小 工程培养试件需求，连杆式压缩机通过连杆结构，连接活塞与曲柄连轴使之正常工作。在培养工程试件的过程中，需要在恒定的温度下进行培养的，所以工程制冷压缩机的活塞与连杆结构所组成核心的连接部位，就显得尤为重要。
这些年，随着我国自主研发的工程压缩机技术越来越成熟，工程压缩机应用技术得到了快速地发展。压缩机，是一种将低压气体提升为高压气体的从动流体机械设备，是恒温制冷系统的心脏。它从吸气管中吸入低温低压的制冷剂气体，通过电动机运转带动活塞对制冷气体进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为恒温制冷循环提供动力。[1]压缩机在制冷与空调行业中主要分为5种类型：往复式、螺杆式、回转式、涡旋式、离心式。其中往复式压缩机主要应用于中小型制冷或空调系统中，螺杆式压缩机则主要用于大型商用建筑工程与工业工程系统中，回转式压缩机、涡旋式压缩机主要用于家用和小容量商用空调制冷系统装置，离心式压缩机则广泛用于大型楼宇的空调制冷系统当中。
1.2 国内外研究现状
随着中国的经济快速发展，国内人们对生活的品质需求越来越高。在这样的背景下，也对我国的施工工程现代化提出了更高的要求。近些年，由于计算机人工智能算法的大力兴起与信息技术高速化的快速发展，为了能够较好在施工过程中保证材料试件的设计要求，需要养护室对试件进行培育养护，其中制冷压缩机为工程养护室核心的部件。同时随着技术的发展，制冷压缩机的更新换代速度也越来越快，制冷压缩机也朝着低能耗、高效率、高环保、轻量化、合理布局构件模块的方向发展。因此，工程制冷压缩机的曲柄连杆及其部件在设计、选材与构造上，会被合理优化以满足当今社会与施工现实的需求。
1.2.1 国内研究现状
在国内，优化设计者们通常采用仿真模拟类软件或通过经验观测法来调整，压缩机的结构布局并模拟真实载荷。例如王利亚[3]对某类型的冰箱压缩机管路共振问题进行了研究，通过仿真软件模拟压缩机的管路，针对共振问题做出了相应的改进，优化了冰箱压缩机管路减震降噪效果，极大降低了震动相应。肖强[4]通过有限元仿真软件，分别对两种不同材料的活塞结构进行有限元分析，改进了压缩机活塞结构。胡浩[5]采用ANSYS等模拟软件，将压缩机的原活塞杆结构进行优化设计，通过对比原活塞杆结构和改进后活塞杆结构分析，得出经过优化后的压缩机活塞杆，性能更优越效果更好。杨丙雪[6]对压缩机连杆结构，以质量作为目标变量，通过调整连杆结构设计参数尺寸，得到最优设计参数组数值，并以此作为依据，修改压缩机连杆结构尺寸图纸。
1.2.2 国外研究现状
国外的Reed.J[7]等通过设计出一种特殊压缩机，建立相应的检测试验设计环节，对比真实实验计算结果与仿真模拟计算结果，发现设计优化模型效果良好，但还有一定问题，需要做出相应的调整优化进行提高。SKasra Mohammadi[8]采用粒子群优化算法（POS），对集成的工程压缩机在不同工况下进行优化设计，经过设计后的压缩机的性能系数，相比之前得到了极大提高，并且冷却成本一定程度上的降低，优化效果良好。A.V.Sal’nikov[9]提出了一种将压缩机转子的焊接部分，作为单一目标进行优化的综合方法，通过优化后的焊接部位，最终达到减轻结构重量和提高转子循环耐久性的目的。
第二章 连杆结构优化模型的建立
2.1 有限元仿真软件
有限元仿真软件最初，是从上个世纪50年代中期开始发展起来。但随着计算机技术的快速发展，计算机仿真技术也越来越多的被应用到，诸如建筑工程研究、电子科技、机械化设计、工业化生产、生物制药等各种领域当中，由于其不需要复杂的实验便能很好地进行观察，适用范围广阔具有非常好的发展前景与空间。其中有许多商业 软件由于技 术的成熟应用相当广泛比如 ： ANSYS、ABAQUS、MATLAB、HyperMesh、SpaceClaim等，主要以ANSYS、ABAQUS两款仿真软件在工程与设计领域应用最为广泛普遍。
本文主要采用ANSYS、SpaceClaim两款有限元免费限制版软件进行结构优化设计，通过SpaceClaim软件良好的CAD建模功能进行工程制冷压缩机连杆三维建模。由于ANSYS与SpaceClaim还具有相当优越的兼容性，故可将在SpaceClaim软件中建好的工程制冷压缩机连杆模型，导入ANSYS软件仿真分析中的Workbench平台中进行有限元分析。
2.1.1 ANSYS软件
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析平台，是世界范围应用最广泛的辅助工程软件ANSYS平台。ANSYS的功能模块众多，能够计算分析诸如：结构、流体、电场、磁场、声场以及化学化工反应等不同环境的应用。与此同时能够与多数计算机辅助设计软件相连接，实现数据的共享和交换具有极大的 相 容 性 。主要由三个模块组成分别为：前处理模块、分析计算模块、后处理模块；由于ANSYS软件功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件之一，在工业生产研究设计与科研方面得到广泛应用，考虑到连杆结构的分析主要线性分析问题，故采用ANSYS软件进行有限元分析计算。
2.2 优化压缩机连杆
工程制冷设备系统主要结构的核心部分为压缩机连杆结构构件，连杆作为连接活塞与曲柄结构，主要承受活塞销传来的气体作用力、本身摆动、活塞组往复惯性力的作用，这些荷载作用的大小和方向都是周期性变化的。因此连杆会受到压缩、拉伸等交变载荷作用。由于连杆运动工作的复杂性与周期性，这就要求连杆结构必须有足够的抗疲劳强度和结构刚度。如果疲劳强度不足，往往会造成连杆体或连杆螺栓断裂，制冷设备系统工作中断，严重的还会对造成制冷系统的不可逆破坏。如若刚度不足，则会造成杆体弯曲及连杆大头的变形过大，导致活塞、汽缸、轴承和曲柄销等的磨损甚至拉缸，制冷效率不高培养试件效果不佳导致工程受到影响，其工程制冷设备压缩机连杆结构的真实图如图2.1所示。
第三章 连杆结构有限元分析............................... 21
3.1 连杆有限元分析............................. 21
3.1.1 静力学分析................................... 21
3.1.2 模态分析.................................... 24
第四章 拓扑优化的基本理论.............................. 35
4.1 有限元仿真技术................................. 35
4.1.1 有限元法的基本原理..................................36
4.1.2 仿真分析步骤.................................. 37
第五章 连杆结构拓扑优化设计...................... 51
5.1 优化连杆结构.............................. 51
5.1.1 拓扑优化流程步骤..........................51
5.2 拓扑优化设计........................... 52
第五章 连杆结构拓扑优化设计
5.1 优化连杆结构
根据前几章的有限元仿真连杆结构工作分析，并在第二章着重分析了，工程制冷压缩机 连杆结构在一般 工作情 况下的三种较为重要的性 能分析：静 力学分析、模态分析、疲劳性分析，从计算结果中可以看出，由于工程制冷压缩机连杆结构还存在相当大的优化上升空间，初始化的压缩机连杆结构产品的设计模型较为安全保守，不能很好地将连杆结构的材料性能较好地发挥利用，存在较大的结构材料资源浪费等不合理现象。考虑到了变密度法（SIMP）拓扑优化能很好地对结构的材料 分布进行优化设 计，同 时为了更好地提高工程压 缩机的材料 使用效率，采用变密度法（SIMP）拓扑优化算法，进行工程制冷压缩机连杆结构的优化设计研究，提高连杆结构的材料利用率使之几何形状布局更为合理。
5.1.1 拓扑优化流程步骤
本文主要利用有限元ANSYS优化软件，对工程压缩机连杆结构展开拓扑优化设计，其主要的流程步骤如图5.1所示。
拓扑优化的详细的流程步骤主要有
