基于蚁群算法的结构拓扑优化方法

在蚁群优化算法的基础上,将结构拓扑优化问题转换成为双TSP问题,引入了拓扑量和拓扑总量作为结构拓扑变化的评判标准,用MATLAB语言编写了求解结构拓扑优化的简化程序,实现了蚁群优化算法在结构拓扑优化设计上的应用。对经典的平面桁架结构的拓扑优化算例,本文算法与离散系统下的优化算法结果表明:在不同约束限制下,结构拓扑形式一致,重量优化可减小1.4%~3.3%;对某输电线塔应用结果表明:与差商算法相比,搜索的结构拓扑形式更全面,结构质量优化也减小了22%。说明本文优化算法具有较强的实用性。     

基于等几何分析的结构优化设计研究进展

结构等几何分析是计算固体力学领域一种新兴的数值方法,致力于将CAD（计算机辅助设计）和CAE（计算机辅助工程）纳入到统一的数学表达框架。等几何分析紧密联系几何信息,采用相同的数学表达将几何精确建模、结构分析和设计过程结合,为结构优化设计提供了新的选择和机会。相比基于有限元的结构优化方法,等几何优化设计方法可在一定程度上提高结构优化的精度、效率和便利性。本文针对具有代表性的结构等几何优化设计,包括形状优化、尺寸优化和拓扑优化等问题,系统梳理和综述了主要的等几何优化方法及其在结构优化设计中的应用。比较分析和评述了结构等几何优化设计方法的算法特点及计算优势与劣势,探讨了基于等几何分析的结构优化研究的前沿问题,并展望了未来的发展方向,包括：基于复杂剪裁CAD几何的高效等几何分析与优化设计、基于实体几何构造的结构等几何分析和优化设计、等几何分析与其他力学分析方法结合的结构优化、基于等几何分析的壳体优化设计、基于等几何分析的材料和结构一体化优化设计以及考虑不确定性的结构等几何优化设计等。     

运用小波分析处理结构优化问题

结构优化设计中,常遇到具有奇异的结构优化问题,利用小波分析在奇异性检测中的优越性,将其引入到结构优化计算中。文中分别讨论了小波分析处理低维和高维结构优化问题,并给出相应的算法及计算步骤。最后,给出较为典型的算例。通过算例表明,小波分析方法可解决具有奇异性的结构优化问题,尤其是某些较为特殊的结构优化问题。     

利用导重法进行结构拓扑优化

介绍了导重准则法基本原理并将其应用于杆系结构及连续体结构拓扑优化。对于重量约束结构性能最优化和多性态约束结构重量最小化问题的连续结构拓扑优化问题,详细推导了导重法与变密度SIMP(Solid Isotropic Microstructure with Penalization)法相结合的更加规范的全新优化准则公式,并给出了相应的算例。计算结果表明,导重法不仅适用于传统的结构尺寸优化与形状优化,而且可很好地求解结构拓扑优化问题,并具有公式简单、通用性强、收敛速度快及优化效果好的优点。     

工程机械中的机构-结构一体化优化设计

工程机械中的运动机构同时往往也是承载机构,其结构优化问题须同时考虑机构运动和结构受力,较传统的结构优化问题需要考虑的因素更多,约束条件更为复杂。本文以广泛应用于工程机械中的四连杆式俯仰机构为对象,研究了工程机械中机构-结构一体化优化问题,探讨了此类优化问题的目标函数、设计变量和约束条件,并对实际工程机械进行了分析和优化,达到了理想的效果。     

压电智能结构拓扑优化研究进展

压电材料因其变形精度高、反应速度快、易于制作成小型化元件已经被广泛应用于精密驱动、振动控制、精确定位等领域。改变压电智能结构中压电元器件的位置、大小、形状等参数能够有效地改善系统的力学性能,因而吸引了许多学者和工程师的关注和研究。拓扑优化作为有效的优化工具,已经成功应用于压电智能结构的优化设计中。本文首先阐述了压电智能结构拓扑优化的背景和意义,简要回顾了压电智能结构主动控制及分析方法,并综述了面向结构静变形控制的压电智能结构优化、面向振动控制的压电智能结构优化、压电俘能器的设计与优化等三个方面的研究进展。最后,简单归纳压电智能结构拓扑优化研究中值得关注的几个问题。     

基于非概率集合可靠性的结构优化设计

在结构非概率集合可靠性模型的基础上,考虑结构系统中的参数不确定性,提出了基于非概率可靠性的结构优化方法。该方法将不确定量看作是区间数,通过区间运算得到结构的非概率可靠性,并以结构的非概率可靠性小于指定可靠性指标为约束条件,利用乘子法对结构的优化问题进行求解。最后应用本文方法对一桁架结构进行总质量优化,优化结果验证了本文...     

结构定向拓扑优化及软件实现

基于区域分割思想对传统双向渐进结构优化方法进行必要地改进,在优化过程中通过添加边界条件的检查语句,实现结构定向拓扑优化;编写第三方插件,使得改进后的优化方法 MATLAB子程序与ABAQUS有限元软件数据交换,从而拓展了双向渐进结构优化方法的实际工程运用领域。ABAQUS建模软件具有界面操作简单、建模快捷、通用性好、易于实现等特点,降低了对设计人员的技能要求。灵活的MATLAB二次开发平台为科研人员提供了广阔的算法改进空间。算例结果表明,优化后桥梁用料变为原有的17%,大大减轻了自重,且优化后的结构对称,受力合理。该算法可运用于对预设结构有特定使用要求或美观要求的结构优化问题。     

双向固定网格渐进结构优化方法

近年来发展的渐进结构优化方法是一种有前途的结构拓扑和形状优化方法.本文在渐进结构优化方法的框架内建立了统一敏感度的概念,并基于固定网格有限元技术,发展了一种新的增加材料技术,提出了双向固定网格渐进结构优化方法.将该方法应用于复合材料壳结构开孔形状优化,以孔周等Tsai-Hill强度值作为优化目标,可以得到合理的最优解,证明了双向固定网格渐进结构优化方法的适用性.不同的初始点能得到几乎相同的最优解,展示了本文方法良好的全局最优性.     

基于实验设计法的桁架结构几何优化

本文用基于实验设计法的优化程序对桁架的一组结构布局的布局优化问题进行了杆件全应力条件下几何优化计算,结果表明基于实验设计法的结构优化方法对于多设计变量优化问题的适用性．结构布局的几何优化结果表现了合理的一致性．     

十六结点四十自由度相对位移板壳单元

本文从三维弹性理论出发,构造了一个新的能很好反映横向剪切变形影响的十六结点四十自由度等参板壳元。为克服直接引用三维公式系统所造成的数值方面的困难,引入了相对位移。对于曲壳单元,采用正交曲线坐标系,大大加快了计算速度。算例表明,新单元与八结点四十自由度厚壳单元有相同的精度。由于新单元由三维单元退化而成,它便于与三维单元连接,便于计算变厚度壳。     

A new curved gradient deficient shell element of absolute nodal coordinate formulation for modeling thin shell structures

A curved gradient deficient shell element for the Absolute Nodal Coordinate Formulation (ANCF) is proposed for modeling initially thin curved structures. Unlike the fully parameterized elements of ANCF, a full mapping of the gradient vectors between different configurations is not available for gradient deficient elements, therefore it is cumbersome to work in a rectangular coordinate system for an initially curved element. In this study, a curvilinear coordinate system is adopted as the undeformed Lagrangian coordinates, and the Green–Lagrange strain tensor with respect to the curvilinear frame is utilized to characterize the deformation energy of the shell element. As a result, the strain due to the initially curved element shape is eliminated naturally, and the element formulation is obtained in a concise mathematical form with a clear physical interpretation. For thin structures, the simplified formulations for the evaluation of elastic forces are also given. Moreover, an approach to deal with the on-surface slope discontinuity is also proposed for modeling general curved shell structures. Finally, the developed element of ANCF is validated by several numerical examples.     

基于压电曲壳单元的结构振动最优控制

曲壳结构已广泛应用于航空航天、航海等领域,结构微小的振动会极大地影响部件性能,抑制曲壳结构的振动就很必要。提出了压电曲壳结构的振动最优控制模型,利用空间曲壳单元理论及多点约束方程实现曲壳基结构壳元和压电壳元的耦合,推导了压电曲壳结构动力学有限元方程,并结合线性二次型最优控制理论,实现了压电作动器对曲壳结构的振动最优控制。数值算例表明,对曲壳结构进行动力分析和振动控制时,在达到同样精度及控制效果的情况下,与平壳相比,曲壳单元及作动器所需数目要少得多。     

Novel shear deformation model for moderately thick and deep laminated composite conoidal shell

This article presents a novel mathematical model for moderately thick and deep laminated composite conoidal shell. The zero transverse shear stress at top and bottom of conoidal shell conditions is applied. Novelty in the present formulation is the inclusion of curvature effect in displacement field and cross curvature effect in strain field. This present model is suitable for deep and moderately thick conoidal shell. The peculiarity in the conoidal shell is that due to its complex geometry, its peak value of transverse deflection is not at its center like other shells. The C¹ continuity requirement associated with the present model has been suitably circumvented. A nine-node curved quadratic isoparametric element with seven nodal unknowns per node is used in finite element formulation of the proposed mathematical model. The present model results are compared with experimental, elasticity, and numerical results available in the literature. This is the first effort to solve the problem of moderately thick and deep laminated composite conoidal shell using parabolic transverse shear strain deformation across the thickness of conoidal shell. Many new numerical problems are solved for the static study of moderately thick and deep laminated composite conoidal shell considering 10 different practical boundary conditions, four types of loadings, six different hl/hh (minimum rise/maximum rise) ratios, and four different laminations.     

关于广义等参有限单元的讨论

研究了新近提出的广义等参单元,讨论了这一新方法与现有方法的关系,提出了一个建立广义有限单元的一般性方法。     

曲厚壳单元在斜板拱桥分析中的应用

介绍了利用曲厚壳单元对斜板拱桥进行空间受力分析,并将曲厚壳单元所得结果与采用实体单元分析的结果和模型实验所得结果进行了比较,证明利用曲厚壳单元来分析斜板拱桥是行之有效的。     

一种大变形曲壳单元

本文用壳中面节点的位移矢量和节点处壳中面单位法线矢量的矢端位移矢量构造了一种大变形曲壳单元,它是大变形曲壳单元的一般形式,能包括已有的大变形曲壳单元,且公式最简单,计算中采用的载荷增量或位移增量可以很大。     

基于加权残量法的多变量等参元简明列式及其应用

根据作者提出的建立多变量有限元模型的系统化方法，应用加权残量法的基本原理，给出了建立多变量等参元模型的简明列式。然后应用该列式，构造了简明有效的平面四结点多变量等参元MQ4和MQ5前者不含内部自由度，后者含有内部自由度。文中结合若干典型算例对所构造的单元性能进行了考核，并与若干典型协调与非协调等参元的数值结果进行了比较。数值结果表明，无论是在规则网格还是在不规则网格情况下，本文构造的多变量等参元，不仅能通过分片检验的要求，而且表现出了良好的性能。     

Three dimensional degenerated shell theory and assumed strain shell elements

In this paper Reissner-Mindlin plate theory is extended to cater for curved shell structures. It can be considered as Reissner-Mindlin type shell theory. From this theory, the C(O) continuity formulation of shell elements of taking account the transverse shear deformation could be derived directly. These degenerated shell elements have been widely employed. To overcome the locking of shear and membrane and avoid zero energy modes the author proposed the formulation of the new elements with assumed strains. A wide range of numerical tests was conducted and the results illustrate that the assumed strain elements possess high accuracy and good performance.     

Stochastic finite element analysis of local average random fields

This paper discussed the concepts underlying a new approach to representation and analysis of homogeneous random Fields. An orthogonalized isoparametric local average model of random fields is proposed, and the optimum selection of random variables is determined based on the theory of nonlinear programming. The finite element method is used to develop a methodology for random field analysis. Numerical examples showing the accuracy and efficiency of the method are studied.