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.     

基于响应面方法的结构碰撞优化

应用响应面方法可将结构响应表达为设计变量的显式形式．为拟合响应面，基于中心复合设计和单纯形设计简化出了中心对称和拟单纯形设计，其既可以保证约束近似精度，同时降低计算量．针对常见优化问题，使用响应面方法将其构造为线性或者非线性约束优化模型，并应用Matlab优化工具箱求解．方管碰撞优化数值算例表明文中提出的试验设计方法及优化模型有较好的求解效率和精度．     

多相材料结构拓扑优化: 体积约束还是质量约束?

针对拓扑优化设计中多年沿用的体积约束作为控制材料用量的思路, 研究了采用质量约束开展多相材料结构拓扑优化的新方法, 提出了相应的质量约束结构优化问题模型和材料插值模型. 通过研究广义SIMP模型和对等混合模型两类多相材料属性插值方法, 发现广义SIMP插值模型导致质量约束具有复杂的非线性特征, 给优化问题的全局寻优和数值求解带来困难;采用的线性对等混合材料插值策略保证质量约束函数具有线性和变量可分离特征, 为拓扑设计问题的数值求解, 特别是凸规划寻优提供了极大便利. 算例表明多相材料插值策略和结构优化模型的正确性和有效性; 优化设计结果的比较说明了使用质量约束相对于体积约束的合理性和必要性, 阐述了质量约束在解决结构轻量化布局设计问题的有效性以及所带来的显著收益.      

多工况下结构拓扑优化设计

考虑单元删除和增加对结构应力约束的影响，提出了一种新的多工况下结构的双方向渐进优化方法．首先，基于在结构孔洞或边界周围附加人工材料的思路，建立了结构优化模型和应力灵敏度公式．然后，结合结构应力和应力灵敏度，给出了多工况静力载荷下考虑静应力约束的结构优化准则和算法．开展了结构仿真设计，结果表明给出的方法是正确和有效的，并具有较好的工程应用价值．     

离散变量结构拓扑优化设计研究

研究了离散变量结构拓扑优化设计的若干问题，讨论了离散型优化模型的合理性，提出截面设计变量的离散程度和全局约束影响最优拓扑，是优化中不可忽视的因素，文中还提出了一种解离散变量桁架，刚架结构拓扑优化的启发式算法。     

基于功能的结构体系目标可靠度优化决策

根据“投资－效益”准则，提出了基于功能的结构体系目标可靠度优化决策的三种模型：概念模型、参数规划法模型和约束放松法模型；并根据最优性条件Kuhn-Tucher条件证明了当基于功能的结构体系可靠度约束均为作用约束时，参数规划法模型和约束放松法模型的等价性；最后对钢筋混凝土框架结构基于不同抗震功能的目标可靠度指标进行了优化计算。     

遗传算法在随机参数刚架结构概率优化设计中的应用

对随机参数刚架结构在随机荷载作用下基于概率的优化设计进行了研究。同时考虑结构的物理参数和作用荷载等的随机性；建立以杆截面积为设计变量、结构质量均值极小化为目标函数、具有刚度和强度可靠性约束的优化设计数学模型；通过可靠性约束等价显式化处理和引入罚函数，将原概率约束优化问题转化为无约束优化问题，利用遗传算法求解。算例表明：文中提出的模型和方法是合理有效的。     

频率约束板结构拓扑优化

本文利用ICM（独立、连续、映射）方法建立了频率约束下平板结构重量最轻的拓扑优化模型。采用指数函数作为单元重量、单元质量及单元刚度的过滤函数。通过瑞利商对刚度过滤函数倒变量的泰勒一阶展式,将频率约束近似显式化。利用对偶理论将含有大量设计变量的约束优化模型转化为易于求解的少设计变量拟无约束优化模型,通过序列二次规划将转化模型进行求解,提高了求解的效率。本文选择MSC.Patran&Nastran软件及PCL二次开发语言构架了平板结构频率约束拓扑优化问题的软件。数值算例表明：本文的方法具有迭代稳定性和收敛高效性。     

基于IGA-SIMP法的连续体结构应力约束拓扑优化

建立了一种IGA-SIMP框架下的连续体结构应力约束拓扑优化方法。基于常用的SIMP模型,将非均匀有理B样条（NURBS）函数用于几何建模、结构分析和设计参数化,实现了结构分析和优化设计的集成统一。利用高阶连续的NURBS基函数,等几何分析（IGA）提高了结构应力及其灵敏度的计算精度,增加了拓扑优化结果的可信性。为处理大量局部应力约束,提出了基于稳定转换法修正的P-norm应力约束策略,以克服拓扑优化中的迭代振荡和收敛困难。通过几个典型平面应力问题的拓扑优化算例表明了本文方法的有效性和精确性。应力约束下的体积最小化设计以及体积和应力约束下的柔顺度最小化设计的算例表明,基于稳定转换法修正的约束策略可以抑制应力约束体积最小化设计中的迭代振荡现象,获得稳定收敛的优化解;比较而言,体积和应力约束下的柔顺度最小化设计的迭代过程更加稳健,适合采用精确修正的应力约束策略。     

基于多相材料的稳态热传导结构轻量化设计

在多相材料的结构拓扑优化问题中,通常给定各相材料体积约束或材料总重量约束作为材料的控制用量.在结构轻量化设计的实际工程背景下,以结构总重量最小化为目标的优化模型具有明确的工程意义.针对含多相材料的稳态传热结构拓扑优化问题,提出了以结构总重量最小化为目标和给定热柔顺度为约束的多工况连续体结构拓扑优化建模方法.遵循独立连续映射建模方式,采用两类独立拓扑变量分别表征单元热传导矩阵和单元重量状态.推导了热柔顺度和总重量对设计变量的敏度,基于一阶和二阶泰勒展开得到各自的近似表达式.通过求解偏微分方程,实现了约束函数一次项过滤,消除了棋盘格现象和网格依赖性问题,并保证了约束方程在过滤后严格成立.建立的近似优化模型具有二次函数形式的目标函数和一次函数形式的约束函数.基于对偶序列二次规划方法对优化模型进行求解直至收敛.通过四个三维结构数值算例分析对比了热柔顺度约束限值、不同材料混合及多工况、多约束条件对优化结果的影响.数值算例结果表明,本文提出的优化方法在基于多相材料的多工况稳态热传导结构轻量化设计中具有可行性和有效性.     

基于响应面模型的薄壁构件耐撞性优化设计

建立了薄壁构件的结构耐撞性优化模型，通过试验设计在设计空间中选择少量样本获得设计的响应特性，建立响应面模型，并应用Pareto遗传算法进行结构耐撞性的优化设计。     

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。     

三轴转台框架的形状优化设计

本文叙述了三轴转台四种不同的布局型式。提出了用Ｂｅｚｉｅｒ曲线和Ｆｏｕｒｉｅｒ级数描述三轴转台框架的形状，将形状优化设计问题转换为可用参数优化设计方法求解的形式。建立了ＯＵＴ型三轴转台外框架结构的形状优化设计数学模型，然后给出了用增广乘子法对问题进行求解的步骤     

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将双优化设计变量转化为单优化设计变量,从而建立起预应力方钢管混凝土柱的优化设计数 学模型. 利用罚函数外点法导出了优化设计变量的迭代计算公式,并给出了获得最优解的二 重迭代法计算步骤. 算例结果分析表明,本法对解决预应力方钢管混凝土柱截面优化问题, 具有概念简单,计算方便的特点,并为此类非线性规划问题提供了较好的求解途径.     

非匀质材料板的微结构优化设计

探讨具有微结构构造的非匀质材料构件在微结构层次上的优化设计,即寻求满足构件宏观性能要求的最佳微结构材料与构造参数。文中采用细观元法确定非匀质材料构件宏观性能与材料微结构参数间定量关系,建立起微结构优化设计数学模型,具体分析了复合材料板件满足强度、刚度要求的最佳微结构参数。有关方法可适用于复合材料、功能梯度材料、智能材料等新材料构件。     

传热结构的多目标拓扑优化设计研究

深入分析了传热结构多目标拓扑优化设计中的几个关键问题。提出了基于结构柔度最小化和结构散热弱度最小化的多目标拓扑优化设计方法,建立了传热结构的多目标拓扑优化设计模型,推导了传热结构多目标拓扑优化中用于迭代分析求解的优化准则算法和敏度分析方程。通过数值计算验证了理论和算法的有效性。     

结构的全过程设计优化

建立了结构生命期内的设计优化模型。根据该模型,不仅可以得到结构的最优设计－维修策略,而且可以得以结构的寿命期。对在役结构,给出当前结构的剩余承载力,模型将给出结构以后的最优维修决策。该模型的优点在于理论简单易懂,计算方便,便于实际应用。     

An analytical approach to optimally design of electrorheological fluid damper for vehicle suspension system

This work develops an analytical approach to optimally design electrorheological (ER) dampers, especially for vehicle suspension system. The optimal design considers both stability and ride comfort of vehicle application. After describing the schematic configuration and operating principle of the ER damper, a quasi-static model is derived on the basis of Bingham rheological laws of ER fluid. Based on the quasi-static model, the optimization problem for the ER damper is built. The optimization problem is to find optimal value of significant geometric dimensions of the ER damper, such as the ER duct length, ER duct radius, ER duct gap and the piston shaft radius, that maximize damping force of the ER damper. The two constrained conditions for the optimization problem are: the damping ratio of the damper in the absence of the electric field is small enough for ride comfort and the buckling condition of the piston shaft is satisfied. From the proposed optimal design, the optimal solution of the ER damper constrained in a specific volume is obtained. In order to evaluate performance of the optimized ER damper, simulation result of a quarter-car suspension system installed with the optimized ER damper is presented and compared with that of the non-optimized ER damper suspension system. Finally, the optimal results of the ER damper constrained in different volumes are obtained and presented in order to figure out the effect of constrained volume on the optimal design of ER damper.     

桩基础优化设计的模块化方法

采用改进的自动分组遗传算法,按现行规范实现了在概念设计阶段的桩基础优化设计。根据工程设计和施工的实际情况,提出了模块化方法,将整个基础划分为一定数量的模块,各模块以所含桩的数量、长度和直径为特征,兼顾桩距及布局等因素,能够实现桩基础拓扑、形状和尺寸的协同优化。在此基础上,建立了以桩基材料用量最少为目标,考虑承载力、沉降、偏心、软弱下卧层及分组等多个设计约束的桩基优化模型。求解上述优化问题,可获得具有最优设计变量取值和设计变量分组的可行设计。本文方法用于两个算例的优化,取得了良好效果。     

低渗透油藏爆炸压裂产能分析及压裂改造区域优化设计

基于爆炸压裂裂缝分布规律,提出爆炸压裂缝网双重介质复合流动产能模型,应用Laplace变换Stehfest数值反演,得到了定压条件下封闭外边界低渗透油藏爆炸压裂生产井产能表达式。在模型正确性验证的基础上结合某低渗透油藏储层特征参数研究了爆炸压裂改造区域参数对封闭边界油藏产量的影响,同时对爆炸压裂改造改造体积优化设计进行了研究。研究结果表明,爆炸压裂改造区域半径主要影响生产中期产能,改造区域渗透率对生产早期和中期影响比较大,且对于实例油藏爆炸压裂改造比为0.1时效果最好。