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。     

带频率禁区的结构单元尺寸二阶灵敏度动力优化设计

结构在服役期间经常受到风、地震或车载等激振作用，优化调整结构设计参数来设计结构动力特性以使其避开外部激励对应的卓越频率或高能频带，是提升结构安全性的有效手段。本文针对尺寸约束、频率禁区约束和结构重量最小化的结构动力学优化设计问题，基于Kuhn-Tucker条件和频率对变量的灵敏度，采用泰勒二级展开式推导并建立了结构频率对变量的二阶灵敏度单因子迭代计算方法，利用MATLAB平台编制了计算程序。算例表明比一阶灵敏度算法计算效率高、收敛稳定性强，且修正因子在优化全过程中无需调整，操作更为便利，并给出了单因子的合理取值区间。发现并初步论证了在设计变量未全部到达约束上下界时，“重量不再降低”只能作为最优的必要条件，“高阶频率收敛于频率禁区上限” 则应是充要条件，更适合作为收敛判据，其可有力甄别“伪最优”状况。基于数据表征，初步揭示了优化变量的修改主要受频率梯度主导，并发现频率梯度值大小与变量修正幅度大体成反比的变化规律。本研究对结构的抗风、抗震和在役结构的动力加固改造设计均具有重要的理论指导价值和现实意义。     

精确频率约束下框架结构的尺寸优化

本文研究受到频率约束的框架结构优化设计问题,采用基于Bernoulli-Euler梁的动力刚度法求解框架结构的自振频率,采用W-W算法精确求解自振频率及频率对设计变量的灵敏度.分析比较了将框架结构的杆件按普通静刚度梁单元和动力刚度梁单元分别建立计算模型时得到的频率分析结果.以杆件面积为设计变量,以结构重量为优化目标,对基频约束下的框架结构进行了尺寸优化,比较了节点集中质量对优化结果的影响.通过2个数值算例,验证了动力刚度阵法在框架结构频率性能分析与优化设计中的适用性,并具有较高的计算精度.     

基于可靠性约束的结构优化设计技术研究

建立结构重量最小化、可靠度为约束的优化模型。将结构近似为串联可靠度模型，每个元件作为一失效单元；由应力状况建立元件的失效函数。采用一次二阶矩法求解元件的可靠性指标；用元件失效概率的和来表示结构失效概率；将结构失效概率的允许值平分给元件，建立设计变量的显示迭代式，并用满可靠度法进行修正，获得最终设计结果。在开展结构静强度优化设计的同时，对元件在线弹性范围内的屈曲可靠性优化设计问题做了初步的研究。桁架结构和机翼盒段结构的可靠性优化结果表明，与现有方法相比，本文提出的方法在具有较高精度的同时，极大地提高了优化设计的效率。     

用ICM法拓扑优化静位移及频率约束下连续体结构

用ICM方法建立了静位移及频率约束下、重量最小为目标的连续体结构拓扑优化模型。采用独立于截面及形状参数的连续拓扑变量,借助于过滤函数,位移约束用莫尔定理显式化,频率约束用瑞利商求导数借助模态动能及模态应变能近似显式化。用图形过滤处理的方法解决了棋盘格及网格依赖问题。通过构造适当的过滤函数有效地防止了局部模态问题。动态引入防止模态交换的频率约束条件,使迭代过程不发生振荡。算例表明:用ICM方法建立的模型在处理多工况静位移约束、多频率约束及解决局部模态及模态交换等问题上有优势。     

两类变量综合处理的结构形状优化设计方法

本文针对截面变量为离散变量为连续变量的结构优化问题提出了一种优化设计的方法,首先将单元内力作一阶近似,利用凝聚函数多约束问题转化了单约束问题。在解过程中,把定义在连续区间上的形状变量看成是在一些离散以值的离工用变量,然后将两类变量统一考虑并利用相对差商法求解。将该算法应用于几个经典的结构优化算例,运算结果显示了该方法是可行的,优化结果也比较满意。     

多约束膜结构截面优化及在MSC/Nastran上的程序实现

将准则法和数学规划法相结合，借助满应力准则将应力约束转化为动态尺寸约束，利用单位虚载荷法将位移约束转化为设计变量的显式表达式建立优化模型，然后用数学规划法求解；采用无量纲设计变量实现设计变量连接，对膜结构的厚度进行优化设计；根据对偶理论，应用对偶规划精确映射原问题，再按泰勒展式建立对偶问题的二阶近似。为了提高优化效率，采用射线步调整结构性态，运用粗选有效约束技术筛选约束，并采用主、被动变量循环确保收敛稳定。以MSC／Nastran软件作为结构分析的求解器，以MSC／Patran软件作为开发平台，完成了膜结构截面优化程序。对膜结构的单变位、多变位的结构优化问题进行了优化计算，并与MSC／Nastran优化模块的计算结果进行比较。算例结果表明程序的可靠性、高效性和稳定性以及理论算法的优越性。     

基于D-P准则的压力相关材料结构拓扑优化

基于描述材料力学行为的Drucker-Prager(D-P)屈服准则, 研究了压力相关材料连续体结构拓扑优化设计问题的数学模型和数值算法. 以单元材料人工密度为设计变量, 结合SIMP惩罚模型和多孔微结构局部应力插值模型, 建立了以材料体积最小化为目标、考虑材料D-P屈服条件约束的优化问题数学模型. 利用\varepsilon-松弛方法消除奇异解现象, 采用伴随法有效推导约束函数灵敏度计算公式, 运用基于梯度的连续变量优化算法迭代求解优化问题. 数值算例验证了优化模型的正确性及数值算法的有效性, 并通过与von Mises应力约束优化结果的比较, 说明了材料的压力相关特性会对结构最优拓扑产生重要影响. 该方法设计出的最优拓扑由于充分利用了压力相关材料的抗压能力, 因而更为合理和实际.      

基于可行域调整策略的多约束材料优化设计

研究基于可行域调整策略的多约束结构材料优化问题。建立了以结构柔顺度为目标函数,考虑体积、位移、结构自振频率为约束条件的结构材料优化模型和目标函数及约束函数近似式,并采用可行域调整策略和对偶算法求解。典型结构材料优化设计结果表明:可行域调整策略使优化过程平稳,获得的序列细观结构拓扑构型清晰;相比于单一体积约束结构拓扑优化求解,考虑多约束结构拓扑优化能获得更好的黑白占优解。     

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。     

桁架结构非概率可靠性形状优化设计

采用区间变量描述不确定参数,提出一种桁架结构非概率可靠性形状优化方法。建立了以截面尺寸和节点坐标为设计变量,以结构重量为目标函数,具有非概率可靠性指标约束的桁架结构形状优化数学模型。采用量纲归一化对截面尺寸和节点坐标进行了变量统一;运用均值点法对功能函数进行泰勒线性近似求解得到相应的非概率可靠性指标,并采用序列二次规划算法对优化模型进行求解。三个算例分析结果表明,算例均能快速稳定地收敛到最优解,结果符合工程结构设计经验,验证了本文所提方法的准确性和有效性。     

An extended stress-based method for orientation angle optimization of laminated composite structures

Orientation optimization plays an important role in the lay-up design of composite structures.Earlier orientation optimization methods face the main problem of huge number of design variables.Recently,a patch concept is proposed to reduce the number of design variables.However,the traditional stress-based method can not deal with patch orientation optimization of composite structures.In this paper,we propose an extended stress-based method to deal with such problems.The considered problems are to minimize the mean compliance under multiple load cases or to maximize the eigenvalues of a composite structure.Four numerical examples are solved to demonstrate the efficiency of the new method.It is shown that the new method has the ability to deal with constraints on orientation angle,such as symmetric,antisymmetric and discrete orientation angle constraints.The iteration is less time-consuming because no sensitivity analysis is needed and a quick convergence rate can be achieved.     

Enhancing the optimization of material distributions in composite structures using gradient architectures

Many structural components encounter service conditions and hence, material performance requirements, which vary from location to location within the component resulting in a composite structure. It has been shown that abrupt transitions in material properties within a composite structure can cause concentrations of deformation, which are mitigated by gradually varying the microstructure and/or composition of materials in a gradient architecture. Structural optimization techniques, such as the homogenization method, have yet to take full advantage of gradient architectures. Many of these structural optimization techniques employ robust mathematical techniques, such as genetic algorithms (GAs), with finite element simulations to optimize material distributions in composite structures through computationally intensive stochastic, global explorations of the design search space defined by a multitude of design variables associated with the discrete representation of the composite structure. Using gradient architectures, it is demonstrated that GAs can be enhanced for composite structures by constraining the design search space through a reduction in the number of design variables, thereby substantially reducing the computational effort. For more complex material distributions, a “material gradient optimization method” is proposed that produces multiple gradient architecture constraints with more optimal solutions than obtained without using these constraints, but whose uniqueness will be dependent upon the number of layers used in the finite element simulations.     

Topology optimization design of continuum structures under stress and displacement constraints

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｉｎｕｕｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｄｉｄｎｏｔｄｅｖｅｌｏｐｒａｐｉｄｌｙｕｎｔｉｌｒｅｃｅｎｔｔｅｎｙｅａｒｓｏｗｉｎｇｔｏｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｉｎｖｏ...     

桁架结构非概率可靠性拓扑优化

考虑非概率可靠性的拓扑优化对于非确定参数和荷载条件下结构的概念设计具有重要意义,有关研究国内外少见报道.本文利用凸模型理论,考虑优化迭代过程的需要,提出改进的非概率可靠性指标的定义,并针对桁架结构拓扑优化设计问题建立了以杆件截面积为设计变量、结构重量极小化为目标、具有非概率可靠性指标约束的广义尺寸优化数学模型.本文指出,考虑桁架结构参数的不确定性的条件下所得到的最优杆件布局与确定性优化所得到的结果可能有显著不同.对文中提出的数学模型,采用数学规划算法求解,数值算例结果令人满意.本文工作表明了桁架结构非概率可靠性拓扑优化设计的可行性和所提出算法的有效性.     

桁架频率优化解存在性及其算法研究

给出桁架在给定固频约束时,动力不优化解存在性的基本理论。指出：桁架固频约束通常是决定其动力学优化解是否存在的“关键约束”。基此,给出了一种工程算法,只用到固频对设计变量的一阶导数,就可很快确定约束是否可能满足。反之,当提出的方法判定给定固频约束不能满足时,可以求出一个解存在的极限频率的狭窄范围及相应的设计变量范围,以供设计人员重新设计时参考。三个由简到繁的算例说明了所提出方法实用、有效。     

基于CA的结构拓扑优化中变量更新规则研究

针对连续体结构拓扑优化中数值不稳定问题,借鉴控制系统中反馈控制和误差放大器的原理,构建了一种无梯度约束的变量更新规则,以结构应变能密度均匀分布为优化目标,建立了基于元胞自动机的拓扑优化模型,进行了二维连续体结构的拓扑优化设计,得到材料在设计域内的最优分布。通过求解三个经典的算例,探讨了不同的误差放大系数对优化结果的影响,试验结果表明,该更新规则能够有效地抑制棋盘格和网格依赖性问题。