基于Kriging代理模型的迭代更新高效反演方法

为提高混凝土坝等大体积结构参数反演效率和精度,减少由于应用有限元进行大量正分析而产生的计算机时,建立了一种结合Kriging代理模型和粒子群优化(PSO)算法的迭代更新反演方法。通过拉丁超立方抽样(LHS)方法确定初始样本点的空间分布,并使用有限元正分析获取对应的响应值,构建粗糙的初始代理模型,结合具有全局寻优能力的PSO算法,反演大体积结构的分区弹性模量,随之再代入有限元模型中,计算获取新的位移响应,并将其作为新样本加入到样本集中,通过迭代更新获得局部更高精度的代理模型。工程实际算例表明,该方法对混凝土坝等大体积结构参数反演精度较高和适用性好,且能大幅减少传统有限元模型反演方法所需消耗的正分析机时,提高反演效率。     

Robust airfoil optimization based on improved particle swarm optimization method

A robust airfoil optimization platform is constructed based on the modified particle swarm optimization method (i.e., the second-order oscillating particle swarm method), which consists of an efficient optimization algorithm, a precise aerodynamic analysis program, a high accuracy surrogate model, and a classical airfoil parametric method. There are two improvements for the modified particle swarm method compared with the standard particle swarm method. First, the particle velocity is represented by the combination of the particle position and the variation of position, which makes the particle swarm algorithm a second-order precision method with respect to the particle position. Second, for the sake of adding diversity to the swarm and enlarging the parameter searching domain to improve the global convergence performance of the algorithm, an oscillating term is introduced to the update formula of the particle velocity. At last, taking two airfoils as examples, the aerodynamic shapes are optimized on this optimization platform. It is shown from the optimization results that the aerodynamic characteristic of the airfoils is greatly improved in a broad design range.     

Optimum design of laminated composite foam-filled sandwich plates subjected to strength constraint

Optimum design of laminated composite sandwich plates with both continuous (core thickness) and discrete (layer group fiber angles and thicknesses) design variables subjected to strength constraint is studied via a two-level optimization technique. The strength of a sandwich plate is determined in a failure analysis using the Tsai–Wu failure criterion and the finite element method which is formulated on the basis of the layerwise linear displacement theory. In the first level optimization of the design process, the discrete design variables are temporarily treated as continuous variables and the corresponding minimum weight of the sandwich plate is evaluated subject to the strength constraint using a constrained multi-start global optimization method. In the second level optimization, the optimal solution obtained in the first level optimization is used in the branch and bound method for solving a discrete optimization problem to determine the optimal design parameters and the final weight of the plate. Failure test of laminated composite foam-filled sandwich plates with different lamination arrangements are performed to validate the proposed optimal design method. A number of examples of the design of laminated composite foam-filled sandwich plates are given to demonstrate the feasibility and applications of the proposed method.     

求解非线性方程组的混沌粒子群算法及应用

针对非线性方程组的求解在工程上具有广泛的实际意义,经典的数值算法如牛顿法存在其收敛性依赖于初值而实际计算中初值难确定的问题,提出以混沌粒子群算法求解非线性方程。它通过将混沌搜索机制有机地引入粒子群算法,使每个粒子从混沌搜索机制与粒子群算法搜索机制中获得适当的搜索方向,以混沌变量的遍历性增强粒子的搜索性能与更全面地应用目标函数的信息,并反映到逐代更新的个体极值和群体极值中,可更有效地调整粒子的移向并最终获得最优解。测试结果表明这一尝试的有效性。最后将所提的方法用于建立复合材料结构的疲劳寿命与应力、温度、湿度的关系模型。     

FUNDAMENTAL FREQUENCY MAXIMIZATION DESIGN FOR CONTINUOUS FIBER-REINFORCED COMPOSITE STRUCTURES 1)

与传统的金属材料相比, 纤维增强复合材料在强度、刚度、抗断裂等诸多方面具备更优良的性能, 目前纤维增强复合材料已在汽车、航空航天等工业领域得到了广泛应用. 本文提出一种求解连续纤维增强复合材料结构无阻尼自由振动下的基频最大化问题的拓扑优化方法. 为了实现结构拓扑构型与纤维角度的同步优化, 建立了以准许的材料用量体积分数为约束、以结构的一阶特征值为目标函数的动力学拓扑优化模型, 该模型包括表征结构拓扑构型的密度设计变量和表征纤维方向的角度设计变量. 详细推导了特征值目标函数关于密度设计变量和角度设计变量的解析灵敏度列式, 并采用移动渐进线方法 (method of moving asymptotes, MMA) 进行了优化求解; 最后通过3个数值算例验证本文方法的有效性, 其中包括一个以刚度最大化为目标的静力学优化算例, 和两个以一阶特征值为目标的动力学优化算例. 结果表明, 所提方法优化迭代过程稳健, 收敛快, 能够在实现结构拓扑构型与纤维角度的一体化优化的同时, 有效提高结构的频率.     

Topology optimization design of continuum structures under stress and displacement constraints

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｉｎｕｕｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｄｉｄｎｏｔｄｅｖｅｌｏｐｒａｐｉｄｌｙｕｎｔｉｌｒｅｃｅｎｔｔｅｎｙｅａｒｓｏｗｉｎｇｔｏｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｉｎｖｏ...     

金属栅格加筋结构的并行协同优化方法

栅格加筋板的主要失效形式为整体屈曲和局部屈曲,据此提出了一种栅格加筋板布局的并行协同优化方法,将设计变量分为整体设计变量与局部设计变量,在两个子空间中并行优化,然后进行系统级协调,反复迭代至收敛。两个典型算例结果表明,本文方法优化流程清晰、算法稳定且结果可靠,可以获得最优解。     

基于粒子群-AK-MCS法的结构可靠性分析

Kriging代理模型由于其良好的非线性拟合能力，在可靠性分析领域得到了广泛的应用。为提高Kriging模型的建模效率，本文提出一种混合粒子群算法的AK-MCS法，该方法在保证模型精度的前提下减少了构建代理模型时的迭代次数，且提高了模型的全局寻优能力。以一10杆桁架结构为研究对象，通过建立结构控制位移与杆件截面面积和集中荷载之间的代理模型，快速求解桁架结构的失效概率。研究表明，本文方法有效提高了Kriging模型建模效率和建模精度，在计算复杂工程结构时具有一定的可行性。     

含初始缺陷复合材料格栅加筋圆柱壳的鲁棒优化设计

针对复合材料格栅加筋圆柱壳具有多约束、连续变量和非连续变量混合的特性,基于复合材料中厚圆柱壳体的非线性稳定性理论,考虑优化目标和约束鲁棒性,采用混合遗传算法,提出了一种非完善复合材料格栅加筋圆柱壳的鲁棒优化设计方法.应用正交设计理论确定主要的鲁棒优化设计变量,简化了运算过程,从而提高了优化分析效率;同时又采用五点差分格式代替梯度运算,解决了在优化计算过程中不可求导的问题.通过典型算例表明,鲁棒优化设计所得到的优化分析结果与传统确定性优化方法相比差别较大,此外壳体的初始缺陷亦将对优化结果产生很大的影响.     

RELIABILITY-BASED DESIGN OF COMPOSITES UNDER THE MIXED UNCERTAINTIES AND THE OPTIMIZATION ALGORITHM

This paper proposed a reliability design model for composite materials under the mixture of random and interval variables. Together with the inverse reliability analysis technique, the sequential single-loop optimization method is applied to the reliability-based design of composites. In the sequential single-loop optimization, the optimization and the reliability analysis are decoupled to improve the computational efficiency. As shown in examples, the minimum weight problems under the constraint of structural reliability are solved for laminated composites. The Particle Swarm Optimization （PSO） algorithm is utilized to search for the optimal solutions. The design results indicate that, under the mixture of random and interval variables, the method that combines the sequential single-loop optimization and the PSO algorithm can deal effectively with the reliability-based design of composites.     

面向工程全局优化的混沌优化算法研究进展Research advances of chaos optimization algorithms for engineering global optimization

近年来,基于混沌的初值敏感性、伪随机性、遍历性以及自相似分形等非线性动力学特性所发展的混沌优化方法,是一种有潜力的工程全局优化新工具,已广泛应用于科学与工程技术的各学科领域。根据混沌优化方法的发展历程,以算法基本思想和工程应用研究状况为重点,评述了混沌神经网络优化方法、第一类混合混沌优化算法（基于混沌搜索）、第二类混合混沌优化算法（混沌序列代替随机序列）以及混沌分形优化四种主要混沌优化算法。混沌映射最早被引入神经网络,发展了混沌神经网络优化方法,可解决复杂的组合优化等全局优化问题。遗传算法及粒子群等启发式随机算法虽具全局搜索能力,但易出现早熟并陷入局部最优。然后,出现了混沌搜索的概念,研究者将其嵌入启发式算法建立了第一类混合混沌优化算法,可有效克服原启发式算法早熟收敛的缺点。随后,利用混沌映射产生的混沌序列代替启发式算法中的随机参数形成了第二类混合混沌优化算法。混合混沌优化算法有益于实现快速全局收敛和提高计算精度。最后,利用混沌分形特性,从分形理论出发提出一类新颖的混沌分形优化算法,可搜索到优化问题的所有全局最优解。此外,对混沌优化算法研究的几个发展方向进行了展望,诸如加强混沌优化算法的参数设计、处理大规模优化、多目标优化问题以及使用代理模型等。     

高速列车气动外形优化研究进展

随着运行速度的提升, 高速列车对气动外形的要求也越来越高, 追求性能优异、美观大方的气动外形是新型高速列车研发的一个重要方向. 基于当前高速列车外形研发的思路, 可以将气动外形优化概括为基于流场机理的改型优化和基于优化算法的外形优化两类. 本文简要回顾了当前国内外在这两类优化途径上的系列工作, 着重介绍了作者所在团队近年来做过的一系列气动外形优化工作. 在基于流场机理的改型优化上, 着重从"和谐号"和"复兴号"这两款主力车型的外形研发上探讨其改型优化的思路, 主要探讨了空调导流罩、受电弓平台、风挡和转向架裙板几类对列车阻力影响较为明显的部件的优化设计,并介绍了其相对于上一代车型在气动性能上的提升. 基于优化算法的外形优化方法,则因循气动外形优化流程, 在列车外形已经具有较好性能的基础上,以高速列车头型流线型为主要优化对象,分别从高速列车参数化方法、替代模型开发以及优化算法改进三个方面进行介绍.其中,高速列车参数化方法主要介绍了局部型函数法、修正车辆造型函数法和类别/形状函数法三类;替代模型开发介绍了最优化替代模型和基于交叉验证的Kriging模型; 在优化算法的改进上介绍了改进的非劣分类多目标粒子群算法和连续域混沌蚁群算法两方面的内容.基于上述三个方面介绍了气动外形优化策略在典型工程上的应用案例.      

A modified multi-objective particle swarm optimization approach and its application to the design of a deepwater composite riser

A modified multi-objective particle swarm optimization method is proposed for obtaining Pareto-optimal solutions effectively. Different from traditional multi-objective particle swarm optimization methods, Kriging meta-models and the trapezoid index are introduced and integrated with the traditional one. Kriging meta-models are built to match expensive or black-box functions. By applying Kriging meta-models, function evaluation numbers are decreased and the boundary Pareto-optimal solutions are identified rapidly. For bi-objective optimization problems, the trapezoid index is calculated as the sum of the trapezoid’s area formed by the Pareto-optimal solutions and one objective axis. It can serve as a measure whether the Pareto-optimal solutions converge to the Pareto front. Illustrative examples indicate that to obtain Pareto-optimal solutions, the method proposed needs fewer function evaluations than the traditional multi-objective particle swarm optimization method and the non-dominated sorting genetic algorithm II method, and both the accuracy and the computational efficiency are improved. The proposed method is also applied to the design of a deepwater composite riser example in which the structural performances are calculated by numerical analysis. The design aim was to enhance the tension strength and minimize the cost. Under the buckling constraint, the optimal trade-off of tensile strength and material volume is obtained. The results demonstrated that the proposed method can effectively deal with multi-objective optimizations with black-box functions.     

非光滑优化的双层规划模型及内点算法

对于包含接触约束的非光滑结构优化问题,其非光滑性体现在状态函数并不是处处可微的,针对含有应力约束及接触约束的非光滑结构优化问题,建立了一种双层规划模型,避免了求解时非光滑性所带来的问题,同时提出了一种迭代算法,用对偶内点二次规划进行分析,线性规划进行优化,算例表明这种方法十分有效。     

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。     

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.     

基于微分进化算法的深空轨道全局优化设计

针对多目标多任务的深空探测轨道设计问题,提出一种新的将探测目标、探测方式、探测顺序以及发射窗口同时作为优化变量, 并采用微分进化算法进行全局优化的设计方法. 使用该方法在只考虑太阳中心引力作用的二体模型下,基于圆锥曲线拼接法建立第三届全国深空轨道设计竞赛问题的优化模型并进行求解. 最后利用该方法求解ESA的ACT研究团队的深空探测任务算例并对结果进行对比分析. 结果表明, 提出的全局优化设计方法对解决多目标、多任务深空探测轨道优化设计问题是可行和有效的.      

基于广义可靠性的随机模糊杆系结构优化设计

研究了随机参数杆系结构的广义可靠性优化设计问题。导出了随机荷载作用下以模糊许用值为条件的结构广义可靠度计算公式;建立了以杆截面为设计变量、结构重量均值为目标函数、结构模糊位移和单元模糊强度广义可靠度为约束条件的优化数学模型;通过引入罚函数,将原广义可靠性约束优化问题转化为无约束优化问题,利用遗传算法求解。设计结果表明:文中提出的模型和计算公式是可行有效的。     

基于支持向量机的序列可靠性优化方法

在工程设计中,可靠性优化设计通常计算量较大或精度不够。本文提出了一种基于支持向量机（Support Vector Machine）和MPP（Most Probable Point）的可靠性分析方法。用SVM 在MPP处替代原极限状态函数,并利用极限状态函数的梯度信息,使SVM模型穿过M PP并与原函数相切,再基于SVM采用重要抽样法计算失效概率。然后,将SORA（Sequential Optimization and Reliability Assessment ）与基于SVM 的可靠性分析方法相集成,将传统的双循环可靠性优化算法解耦为单循环,并通过基于SVM 的可靠性分析方法修正了SORA中由于线性近似带来的误差,保证了最优设计点处可靠性分析的精度。算例证明,该方法在处理非线性问题时具有精确度高和计算量适度的特点。     

主动约束阻尼板压电层电压拓扑优化研究

建立主动约束层阻尼板有限元模型,以结构模态阻尼比最大化为目标函数,压电层总电能消耗为约束条件,压电层单元控制电压为设计变量,对主动约束层阻尼板压电层电压进行了拓扑优化,获得了压电层电压最优拓扑分布。通过引入虚拟设计变量,将压电层电压控制不连续问题转化为连续问题。考虑实际工程应用的需要,采用指数函数对电压中间变量进行惩罚。在灵敏度分析基础上,采用移动渐进线(MMA)法,求解了主动约束层阻尼板电压拓扑优化问题。数值算例证实了电压拓扑优化模型以及数值求解方法的有效性。