基于可靠性的桁架结构拓扑优化设计

建立了以杆截面为设计变量、结构重量极小化为目标、具有位移、应力等性态可靠性约束的桁架结构拓扑优化设计数学模型．通过引入可靠性安全系数，并利用结构力学的三个基本方程，将结构的位移和杆件应力可靠性约束等价显示化为设计变量的线性函数，使原基于可靠性的优化模型转化为常规的序列线性规划问题，利用修正的单纯形法求解．算例表明文中提出的方法既简单又有效．     

桁架结构拓扑优化设计的线性规划方法

本文提出了一种新的桁架结构拓扑优化设计方法,在该方法中,以杆件内力为设计变量,以由结构力学的基本方程构成的位移、应力等物理量为约束,构成了拓扑优化的线性规划模型。它克服了目前桁架结构拓扑优化的两大困难——预定设计位移场与在拓扑优化过程中无法考虑位移、应力等性态约束。文章最后给出了两个考题,说明了本方法的可行性与有效性。     

考虑性态约束时多工况桁架结构拓扑优化设计

本文提出了一种适用于桁架结构的拓扑优化设计方法。它以杆内力为设计变量,以结构重量为目标函数。该方法的主要特点是:第一,通过引入杆内力为设计变量,既克服了已有方法要求预定位移场这一主要困难,又为在拓扑优化过程中考虑应力、位移等性态约束创造了条件;第二,将多工况的拓扑优化问题描述为一个非光滑的数学规划问题,再通过一个变量代换将其转化为一般的规划为题,进而将原问题的求解又转化为几个线性规划问题的求解;第三,基于结构力学的三个基本方程,将位移与应力约束提成为线性不等式约束,这些约束同重量的目标函数一起构成了拓扑优化设计的线性规划模型。最后,将本方法应用于几个工程算例,得到了满意的数值计算结果。     

形状优化设计的一个方法—带参数的状态空间可行方向法

本文用状态变量描述结构的性态约束,用参变量描述结构几何区域由形状设计变量的变化所产生的增量场,提高了敏度分析的计算效率,弥补了用有限差分法计算敏度的不足,构造了带参数的状态空间可行方向法,用来解平面应力(应变)结构形状优化设计问题,对所算例题,只要一、二次迭代分析,就可取得满意结果,附录给出了几个导数的表示。     

具有频率、位移和应力约束的结构优化设计

本文给出了具有多个频率、位移和应力约束的结构最轻重量设计。寻优是采用非线性规触(拟乘子法)和准则设计(满应力法)相结合的方法,建立了迭代公式,优化是完全自动化的,振动分析用的是子空间迭代法,因此适宜于大型复杂结构。文中给出了多个数值计算的实例,表明此法能获较满意的结果。     

两工况作用下杆系结构拓扑优化设计

本文提出了一种有效的两工况作用下的杆系结构拓扑优化设计方法。它在以下三个方面克服了当前拓扑优化领域内线性规划类方法所面临的主要困难,首先,从结构力学的基本方程出发,引入内力设计变量,既克服了已有方法要求预定位移场这一主要困难,又为在拓扑优化过程中考虑应力、位移等性态约束创造了有利条件;其次,现有方法均无法解决多工况问题,本方法虽未推广到多工况,但可解决两工况问题;再者,现有方法在拓扑优化过程中无法计及应力、位移等性态约束,本方法巧妙地解决了这一问题。最后给出的几个工程优化算例,表明该方法具有理论基础牢固,计算工作量小,程序易于实现等明显优点。     

复合型裂纹扩展的应变能准则

现有的复合型裂纹扩展准则主要可分为两大类,一是以裂纹扩展前的应力-应变场为基础,二是基于能量平衡观点的能量释放率理论.例如,最大切向应力准则,最大主切向应力准则,最大切向应变准则和应变能密度准则都属于前者;Griffith-Irwin能量准则则属于后者.所有的这些准则几乎都假设裂纹扩展将沿着以裂纹尖端为中心的射线方向,并且在此方向上的某个基本函数存在着一个极值,当此极值达到临界值时,裂纹开始失稳扩展.这些准则的着眼点都是只考察裂纹尖端附近某一点处的某个力学参量(如应力、应变、应变能密度或能量释放率等)的变化.本文所考察的则是裂纹尖端周围某一特定区域内总应变能的变化.     

结构优化设计的若干进展

过去30年电子计算机的迅速发展,大大促进了所有工程学科进行设计优化的进展。特别是求解连续介质力学问题的有限元法的出现,大大促进了结构优化设计的发展。1960年Schmit首先提出了用数学规划方法求解多种载荷情况下弹性结构设计的数学表达,开始了结构优化(或称结构综合)的新时代。在这个表达式中,结构优化设计成为在诸如应力、位移、频率等性态函数约束下的“n”维设计变量空间中目标函数的数学极值问      

平面问题中位移用应变或应力的显式表示

在平面问题按应力求解的方法中,对于具有位移边界条件的问题,一般认为是无法处理的。原因是位移未能用应变(或应力)的显式表示出来。此外在按应力求解的近似法(变分法、差分法、有限单元法)中,由于应力未精确满足相容条件,因而认为无法从几何方程求出相应的位移。     

裂纹复合断裂准则中的某些问题

1.引言断裂力学出现后,关于复杂应力下的断裂问题有:A.A.Griffifh 的最大应变能释放率g 准则(及其推广),G.C.Sih 和F.Erdogan 的最大周向应力σθ_(max)准则,Sih 的最小应变能密度S_(min)准则.这些准则和古典强度理论并不完全一致.陈篪     

用孔底应变法测量岩体应力的平差计算

根据弹性力学,弹性岩体中任一点的全应力状态,可由6个应力分量σ_x、σ_y、σ_z、τ_(?y)、τ_(yz)、τ_(zx)确定,现有的通过应力解除测量三维应力的各种方法,系通过测量应变(或位移),测 ...     

基于拟满应力设计和遗传算法的网架截面优化方法

通过在遗传算法中嵌入拟满应力算子,提出了一种以网架结构杆件截面作为离散变量的优化设计方法,即基于拟满应力设计和遗传算法的网架截面优化方法.分析结果表明,该法能够提高遗传算法的搜索效率和获得全局最优解的可靠性,对于同时有应力和位移约束的网架等空间结构截面优化问题,这种混合算法有较高的效率.     

平面桁架结构拓扑优化方法研究

利用满应力设计准则法(FSD)对桁架结构截面优化的优势,将其引入基于形状语法规则的结构拓扑模拟退火优化算法(STSA)的随机搜索过程,探索两者的结合方式,形成了基于力学原理的优化算法和随机搜索数学优化方法相结合的杂交算法.受应力和欧拉屈曲约束的平面桁架结构拓扑优化算例表明:根据形状语法规则(尺寸、形状和拓扑规则)的"最有效规则选择"原理,当迭代步内所统计的尺寸规则最有效则结构趋于稳定,此时可引入FSD使结构趋于满应力状态,从而使数学随机搜索得到的结构更加符合力学受力原理,所形成的杂交算法使STSA的寻优搜索过程更为稳定,并改善了STSA搜索效率和最优解.     

优化设计的线性性态模型法

在复杂静不定结构的最优化过程中,结构分析的数值计算常常是主要的工作量。应用序列无约束极小化方法(即SUMT方法)和Powell的直接探索法,并在单向搜索时用黄金分割法,所需的结构分析次数大约为N_a=40n(n+1),式中n为设计变量数。替换Powell法和黄金分割法,采用无交叉项的二次性态模型法(behaviour model technique),结构重分析次数减到N_a≈k(2n+1),其中k为响应面数。本文提出的线性性态模型法可进一步将结构重分析次数减少到N_a≈k(n+1)。本文提出的线性性态模型法与最速下降法相结合的方法,又可进一步减少重分析次数。     

岩体结构非平衡演化的有效应力原理及长期稳定性分析

开挖卸荷后的天然岩体往往处于非平衡演化状态, 将直接影响岩体工程结构的正常运行、长期稳定和安全. 时效变形和损伤演化是岩体结构非平衡演化的核心. 在赖斯(Rice) 内变量热力学理论框架下, 提出了岩体结构非平衡演化的有效应力原理, 指出有效应力是总应力中能有效驱动结构演化的部分. 将内变量率形式的非弹性应变率方程和能量耗散率函数表示为有效应力形式, 并提出非弹性余能概念. 给定具体的余能密度函数和内变量演化方程, 得到了考虑损伤的内变量黏塑性应变率方程. 通过相似材料加卸载蠕变试验结果进行参数辨识, 并分别计算了内变量率形式和有效应力形式的黏塑性应变率、能量耗散率和非弹性余能, 并对其进行比较分析. 结果表明:在过渡蠕变和稳态蠕变阶段两种形式的方程计算的黏塑性应变率几乎相等, 但在加速蠕变阶段两者相差较大;非弹性余能和能量耗散率全域积分分别从驱动结构非平衡演化的内在潜力和实际效果的角度表征了结构的非平衡演化状态和演化趋势, 能量耗散率积分更合适用于评价岩体工程结构的长期稳定性. 最后以深埋地下洞室作为工程算例, 并对其长期稳定性进行分析.      

一种非局部弹塑性连续体模型与裂纹尖端附近的应力分布

本文提出一种非局部弹塑性连续体模型。在这个模型中,应力与弹性应变之间为非局部线性关系,而塑性应变与总应变历史相联系。对于形变理论,假定塑性应变张量与总应变偏量张量成比例,其比例因子是总有效应变的标量函数。将这一模型用于分析幂硬化弹塑性材料拉伸型裂纹尖端附近的应力场,利用经典断裂力学中所得的拉伸型裂纹尖端HRR奇性解的结果,在一维简化计算下导出了裂纹正前方的拉应力分布和最大拉应力的表达式,证明临界J积分准则可由非局部最大拉应力准则得到。用已有的实验数据计算了几种钢材在裂纹起始扩展时裂纹尖端附近的最大拉应力,发现其量级与晶格内聚强度相近。所得结果对于理解材料断裂过程的物理机理是有益的。     

形状优化数值方法与自适应运动极限

本文对结构形状优化问题,结构截面尺寸优化问题和一般数学规划方法作了比较,讨论了一维搜索策略对优化方法的效率和严谨性的影响;根据粗糙一维搜索思想,构造了带自适应运动极限的序列线性规划法,用来解平面应力(应变)结构形状优化问题中出现的极小-极大问题,作了数值比较。附录给出了灵敏度计算公式。     

应力和位移约束下的板壳结构截面优化

将准则法和数学规划法相结合，根据满应力准则将应力约束化为动态下限，借助单位虚载荷法将位移约束转化为设计变量的近似显函数，建立了满足应力和位移约束的优化模型. 为了解决多变量的大型优化问题，根据对偶理论将上千设计变量的优化模型转化为几个变量的对偶模型，并通过二次规划求解. 以MSC/Nastran软件为结构分析的求解器，借助MSC/Patran软件为开发平台，完成了板壳结构截面优化程序. 程序完全和Patran及Nastran融为一体，在Patran中建立模型，利用Nastran分析计算，根据优化结果对设计变量调整，再用Nastran进行结构重分析，反复迭代直到结构重量收敛. 算例表明程序的合理性和有效性，能够满足工程设计的需要.     

各向同性硬化材料弹塑性本构关系的渐近积分及其计算精度

1.引言由于材料塑性性质依赖于变形的历史,弹塑性有限无分析一般都采用增量方法。其基本点是从已知的现时(时间t,对于静力分析、t可理解为加载水平)状态出发,利用虚功原理建立到达邻近(时间t+△t))状态的变形增量的运动方程。这样逐步求解,从而得到结构在整个时间历程的变形和应力状态。为得到足够精确的结果,一般情况下,在非线性分析的每个增量步中,还要进行平衡迭代。但是无论是采用哪种迭代(例如Newton-Raphson迭代,常刚度迭代等),每个增量步或每次迭代以后都要进行状态决定,即根据求得的位移增量决定新的变形状态的应力、应变等,作为下一增量步或下次迭代求解的出发点。因此状态决定在增量有限元分析中不仅在计算量上占很大比例,而且对解的精度有直接的影响。在状态决定的计算中,从位移增量计算应变增量仅涉及几何关系,而由应变增量计算应力增量则涉及材料的本构关系。关于后者,弹塑性增量理论中建立的是应力和应变的微分关系:     

结构优化导重准则及其意义与合理性

导重准则是根据结构优化问题的库恩-塔克极值条件严密推导出的理性准则,导重准则可表述为“最优结构应当按照导重正比分配重量”,意义明确、形式简捷,便于应用。导重准则法克服了虚功准则法无法考虑载荷随设计变量变化导数的缺陷,具有优化效果好、优化迭代前几步收敛快的明显优势。导重准则的作用是：在结构优化迭代计算中,以“导重”来引导结构重量、造价等设计资源在结构空间与构件间的合理分配,使这种分配达到以“各设计变量对应的重量与导重成正比”的最优状态。从结构优化基本形式出发给出导重与导重准则的数学与力学意义,对照结构优化基本理论对导重准则的合理性以及导重准则对结构优化寻优迭代的指导意义给出深入剖析,提出衡量结构设计最优化程度的最优性定量指标,可为导重准则法在工程结构中的广泛应用奠定坚实的理论基础。