基于自动分组遗传算法的建筑结构体系与构件尺寸协同优化设计

研究了利用结构优化方法实现建筑结构体系选择的问题。文中建立了可以覆盖框架、框架-剪力墙和巨型结构三种体系的优化模型,并采用自动分组遗传算法求解,实现了结构体系与构件尺寸的协同优化。文章特别设计了三类模块,每类模块通过专门构造的含有多个分量的设计变量来表示,按一定方式组合这些模块可得到不同体系的结构。巨型结构中,巨型构件的设计变量表示方法和惯性矩计算方法满足提出的三条假设。基于精心构造的设计变量和三条相关假设,文中建立了以结构总材料用量最少为目标,考虑强度、刚度、分组及构造要求等约束条件的优化模型,采用自动分组遗传算法研究了40层、10层、6层三种高度建筑的优化设计。在相同外荷载条件下,它们的最优设计分别为巨型结构、框架-剪力墙和框架结构。     

基于自动分组遗传算法的建筑结构体系与构件尺寸协同优化设计

研究了利用结构优化方法实现建筑结构体系选择的问题。文中建立了可以覆盖框架、框架-剪力墙和巨型结构三种体系的优化模型,并采用自动分组遗传算法求解,实现了结构体系与构件尺寸的协同优化。文章特别设计了三类模块,每类模块通过专门构造的含有多个分量的设计变量来表示,按一定方式组合这些模块可得到不同体系的结构。巨型结构中,巨型构件的设计变量表示方法和惯性矩计算方法满足提出的三条假设。基于精心构造的设计变量和三条相关假设,文中建立了以结构总材料用量最少为目标,考虑强度、刚度、分组及构造要求等约束条件的优化模型,采用自动分组遗传算法研究了40层、10层、6层三种高度建筑的优化设计。在相同外荷载条件下,它们的最优设计分别为巨型结构、框架-剪力墙和框架结构。     

土-桩-结构相互作用体系随机地震反应分析

本文采用随机振动理论与有限元技术相结合的方法，以基岩随机地震作为输入，对群桩基础和土-桩-结构相互作用体系进行了三维随机地震反应分析。文中首先以一3X3群桩基础作为分析模型，探讨了桩-土-桩动力相互作用对承台随机地震反应的影响；然后，用单自由度体系模拟上部结构，分析了上部结构惯性对桩基承台随机地震反应的影响。在此基础上，以某桥桥墩为背景，用多自由度体系模拟上部结构，建立了土-桩-结构相互作用体系的三维分析模型，获得了桩基承台的功率谱响应、以及桩顶处的主应力标准差和主应力速率标准差等结果，探讨了群桩顶部各桩主应力标准差的分布规律，得到了一些有应用价值的结果。     

变刚度群桩基础沉降计算研究

针对现行规范《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)无法计算变刚度群桩基础沉降的现状, 在前人建立单桩柔度矩阵的基础上,推导出变刚度两根桩、三根桩乃至群桩的沉降计算理论 半解析解. 并以均布9桩、变桩长9桩为例,计算其桩顶柔度系数的变化趋势. 结果表明, 中桩长、边桩次之、角桩短的变刚度群桩基础具有减小差异沉降的功能. 该方法对中国制定变刚 度群桩基础技术规范具有借鉴意义.     

大吨位基桩抗压载荷试验中的锚桩预应力保护技术

竖轴向承载力是桩基础设计的重要参数,现场静载试验是目前确定桩基承载力的主要手段之一。本文依托黄陵—延安段高速公路洛河特大桥试桩工程,通过对原有工程桩施加预应力,形成了以工程桩为锚桩的锚拔体系。加载过程中试桩应力、锚桩应力及桩顶位移测试,结果表明,结合预应力技术,以工程桩作为锚桩构成桩基础静载试验的锚拔体系是可行的,同时提出了施加预应力大小的原则、方法以及确保后期曾作为锚桩的工程桩有足够承载能力应采取的必要措施。     

连续纤维增强复合材料结构基频最大化设计

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.      

基于蚁群算法的桁架结构布局离散变量优化方法

提出的布局优化方法是将桁架结构的截面变量、拓扑变量及形状变量统一为离散变量.将离散变量转化为适应于蚁群算法求解TSP问题的离散变量,应用MATLAB语言编写求解桁架结构布局优化程序,最终实现对问题的分析与求解.通过对几个经典的平面、空间桁架结构布局优化算例的验算表明:本文设计的基于蚁群算法的桁架结构布局离散变量优化方法较单独处理截面优化、拓扑优化及形状优化问题具有更大的效益,相对于其他布局优化方法也展现出更好的优化效果.“基于蚁群算法的桁架结构布局离散变量优化方法”在程序设计、求解速度、求解空间及其方法通用性等方面都表现出良好的性能,并且简单、实用,适应于实际工程应用.     

基于虚拟柱状等效模型的层状异性地层桩基沉降位移分析

根据层状异性软土地层桩基的力学特性，通过构建虚拟柱状等效模型，采用分层总合方法，推导了桩基轴向变形及桩底沉降位移的理论解，建立了适用于任意层状异性地层及荷载条件下桩基沉降位移的计算方法。研究层状异性地层中桩基沉降位移特性、界面突变现象及其随工程和地质因素的演变规律。结果表明，桩基承载时，桩体截面或桩底土体存在深度随荷载及工程地质参数变化的零轴力水平面，当零轴力面深度小于桩基长度时，桩基处于摩擦承载模式，桩基沉降位移等于截面上部桩体的变形量；反之，桩基处于摩擦与桩端共同承载模式，桩基沉降位移等于桩体变形与桩底沉降的叠加。现场试验结果验证了理论方法的正确性。所建立的层状模型和理论方法能方便地模拟近似水平分布的软土地层及其工程地质参数并可直接推广应用于任意层状异性地层的桩基承载设计计算。     

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.     

结构拓扑优化中变量连接算法研究与软件实现Research and software implementation of variable connection algorithm for structural topology optimization

结构拓扑优化的变量连接,是通过对设计变量之间添加约束关系,从而得到特定的拓扑优化构型,使得优化结果能够满足工程上的特殊要求和工艺制造技术的限制。针对拓扑优化中的几类过滤形式及灵敏度分析,给出了考虑变量连接的计算公式;基于自主研发的SiPESC软件集成化平台,在SiPESC ．TOPO拓扑优化模块上进行二次开发,构建了拓扑优化的变量连接算法框架,其核心思想是基于面向对象设计方法和软件设计模式,实现算法与数据分离。详细阐述了变量连接的作用方式,以及软件框架通用接口设计方案,并通过数值算例验证了其在静力问题、动力问题和热传导问题上的可行性。     

抗滑桩与滑坡相互作用分析的常微分方程组边值法

将抗滑桩与滑坡的相互作用抽象为一阶常微分方程组在特定边界条件约束下的定解问题,通过龙格-库塔(Runge-Kutta)差分法求解该方程组可得桩身内力与变形及滑床抗力,该方法不同于常规的基于桩体挠曲四阶微分方程的级数解法、差分法及有限元法,可以一次性解出桩身内力及变形值,无需进行二次换算;可对全桩进行整体分析,无需像传统方法那样以滑动面为界将桩身分成受荷段和锚固段分别计算;该方法一改传统的求解高阶微分方程为解低阶微分方程组,符合计算力学的优化思想,并且可以方便地考虑桩身的剪切变形,为抗滑桩的计算分析提供了一种切实可行的新思路,可作为传统抗滑桩内力分析方法的有效补充。本文还编写了基于该法的全桩内力计算和图形处理程序。工程算例表明,该方法与传统方法的计算结果能很好吻合,且程序运行效率更高。     

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。     

Epsilon-continuation approach for truss topology optimization

In the present paper, a so-called epsilon-continuation approach is proposed for the solution of singular optimum in truss topology optimization problems. This approach is an improved version of the epsilon-relaxed approach developed by the authors previously. In the proposed approach, we start the optimization process from a relaxation parameter with a relatively large value and obtain a solution by applying the epsilon-relaxed approach. Then we decrease the value of the relaxation parameter by a small amount and choose the optimal solution found from the previous optimization process as the initial design for the next optimization. This continuation process is continued until a small termination value of the relaxation parameter is reached. Convergence analysis of the proposed approach is also presented. Numerical examples show that this approach can alleviate the dependence of the final solution on the initial choice of the design variable and enhance the probability of finding the singular optimum from rather arbitrary initial designs. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10102003, 10032010 and 10032030)     

Optimal placement of piezoelectric active bars in vibration control by topological optimization

A continuous variable optimization method and a topological optimization method are proposed for the vibration control of piezoelectric truss structures by means of the optimal placements of active bars. In this optimization model, a zero-one discrete variable is defined in order to solve the optimal placement of piezoelectric active bars. At the same time, the feedback gains are also optimized as continuous design variables. A two-phase procedure is proposed to solve the optimization problem. The sequential linear programming algorithm is used to solve optimization problem and the sensitivity analysis is carried out for objective and constraint functions to make linear approximations. On the basis of the Newmark time integration of structural transient dynamic responses, a new sensitivity analysis method is developed in this paper for the vibration control problem of piezoelectric truss structures with respect to various kinds of design variables. Numerical examples are given in the paper to demonstrate the effectiveness of the methods.     

考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法

拓扑优化作为一种先进设计方法, 已被成功用于多个学科领域优化问题求解, 但从拓扑优化结果到其工程应用之间仍存在诸多阻碍, 如在结构设计中存在难以制造的小孔或边界裂缝和单铰链连接等. 在拓扑优化设计阶段考虑结构最小尺寸控制是解决上述问题的一种有效手段. 在最小尺寸控制的结构拓扑优化方法中, 通用性较强的固体各向同性材料惩罚法SIMP优化结果边界模糊不光滑, 包含精确几何信息的移动变形组件法MMC对初始布局具有较强依赖性. 本文提出一种考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法. 所提方法继承了二者优势, 避免了各自缺点. 在该方法中, 首先采用活跃轮廓算法ACWE获取SIMP输出的拓扑结构边界轮廓数据, 提出了SIMP优化结果到MMC组件初始布局的映射方法. 其次, 通过引入组件的3个长度变量, 建立了半圆形末端的多变形组件拓扑描述函数模型. 最后, 以组件厚度变量为约束, 构建了考虑结构最小尺寸控制的拓扑优化模型. 采用最小柔度问题和柔性机构问题验证了所提方法的有效性. 数值结果表明, 所提方法在无需额外约束的条件下, 仅通过组件厚度变量下限设置, 可实现整体结构的最小尺寸精确控制, 并获得了具有全局光滑的拓扑结构边界.      

斜拉桥索力优化的强次可行序列二次规划法

提出了一种斜拉桥索力优化的实用方法-强次可行序列二次规划法. 该方法通过建立斜拉 桥索力优化的非线性规划模型，以主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数，斜拉索的索力为设 计变量，结构应力和索力为约束条件，计入大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响，采用 强次可行序列二次规划算法进行优化求解，确定斜拉桥成桥合理状态的索力. 运用该方法对 某斜拉桥进行索力优化，结果表明该方法简单、有效.     

斜拉桥合理成桥状态确定的一阶分析法

本文建立了斜拉桥索力优化的非线性规划模型，其中以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数，以各斜拉索的索力为设计变量，结构的应力及索力为约束条件，采用一阶分析法进行求解，用以确定成桥合理状态的索力。在计算中，考虑大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响，并列出了优化模型的具体表达式及优化过程中的关键求解策略。应用该法和空间非线性有限元分析程序分析了某千米级斜拉桥方案的合理成桥状态，计算结果表明：该方法简单、有效。     

变截面多稳态梁结构减振吸能分析与优化设计

基于多稳态梁结构具有吸能且可重复使用的特点，本文研究包含变截面多稳态梁的单胞结构及其周期性排布的减振吸能效应及其优化设计方法。对多稳态结构进行考虑几何非线性的位移加载/卸载有限元仿真，根据其载荷-位移曲线分析多稳态结构的减振吸能原理，并研究串联与并联周期性排布形式对结构整体吸能特性的影响规律。研究基于多参数调控的变截面梁结构形状表征方法，根据多稳态结构储能特点建立变截面多稳态单胞结构的结构优化模型，通过求解优化问题获得总质量不变条件下最优变截面梁结构形状。进一步地通过对优化结果的有限元分析验证优化的有效性，并对结构进行瞬态冲击荷载下动响应分析，证明多稳态结构的冲击保护作用。     

基于遗传算法的抗震钢框架多目标优化设计

考虑抗震钢框架优化问题具有多目标的特点，在遗传算法的基础上对抗震钢框架多目 标优化设计进行了探讨. 在无约束Pareto排序遗传算法的基础上，提出了一个简单、实用 而又可以避免采用罚函数的全新排序方法，在此基础上形成了一种求解有约束多目标优化 问题的Pareto遗传算法(CMOPGA), 并给出了具体的算法流程图. 以钢框架重量最轻和结构 总动应变能最小为目标，基于相关的设计规范，给出了抗震钢框架多目标优化问题的一种合 理提法. 采用CMOPGA对一个两跨六层抗震钢框架实例进行了多目标优化设计，并提出了一 个在Pareto最优解集的基础上选取妥协解的相对最小距离妥协原则. 算例结果表明，采用 CMOPGA求解抗震钢框架多目标优化问题是可行和有效的.