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。     

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。     

基于框-剪结构协同工作的抗振墙数量优化研究

针对当前抗震墙数量优化中多是定性分析的现状,根据框架-剪力墙结构整体受力特点,采用横向分类方法,将空间框-剪结构分解量化为榀结构形式。基于有限元思想及框剪结构空间协同分析的离散化原理建立了其力学分析模型及剪力墙优化模型,该力学分析模型能较好地反映结构整体工作性能的主要特征及考虑剪力墙剪切变形的影响,动力分析采用振型分解法计算地震作用,以遗传算法作为优化方法确定出了剪力墙的最优数量。计算结果表明该方法具有较高的精度,可为结构的设计提供参考。     

地震作用下摩擦耗能减震结构优化

提出了地震作用下摩擦耗能支撑参数优化的一种新的数学模型。它的特点是在给定的几条地震波作用下,在满足框架的规范层间位移角限值要求下,框架各层安装的耗能支撑刚度之和最小,从而实现安装较少的耗能装置而能达到相同的抗震要求。本文利用遗传算法求解该优化问题,并编制了基于遗传算法的几条地震波分别作用下的摩擦耗能框架结构支撑参数弹塑性动力优化分析程序GAOFF。最后给出了一6层框架在三条地震波分别输入下的优化算例,分析结果表明本文方法是有效的。     

考虑内力分项贡献度的框架构件重要性评价

提出了一种水平和竖向荷载共同作用下的框架结构构件重要性评价方法。首先,基于线弹性材料假设,利用应变能方程和节点-外荷载关系计算梁柱构件的轴力、剪力和弯矩;然后,定义构件内力分项计算值与抗力分项值之比为构件分项重要性系数,用于体现构件抗力利用水平;再组合各内力分项系数,针对不同外荷载形式定义构件综合重要性系数,用于体现构件对框架体系整体承载力的贡献;最后,通过两榀框架算例验证了方法的可行性,可为框架的结构优化设计和连续性倒塌分析提供定量依据。     

复合材料框架结构刚度几何双尺度优化设计

航空航天结构对超轻质大跨度框架类结构提出了迫切的需求,考虑纤维增强复合材料框架结构宏观与微观的可设计性,基于结构与材料一体化优化理念,研究了复合材料框架结构宏观拓扑与微观纤维铺层参数并发优化的双尺度优化问题。以宏观管件构件内半径与微观连续纤维缠绕角度为两类独立的设计变量,建立了以最小化结构柔顺性为目标函数、材料用量为约束的双尺度复合材料框架结构优化列式,给出了宏微观设计变量灵敏度信息的求解算法。讨论并对比了单尺度微观纤维缠绕角度优化、宏观截面拓扑优化与宏微观双尺度并发优化。数值算例表明,双尺度并发优化设计可进一步发掘结构与材料的承载潜力,实现既定性能下的结构轻量化设计。     

钢框架-混凝土剪力墙混合结构连续化计算方法

提出了钢框架-混凝土剪力墙混合结构体系的一种连续化的计算方法，该方法考虑了这种结构中钢框架部分节点柔性连接，推导了考虑节点柔性连接时，钢框架-混凝土剪力墙混合结构中钢框架部分的层抗侧刚度．     

钢筋混凝土D区配筋的拓扑优化设计研究

钢筋混凝土D区的配筋设计是一个难点。基于试验结果的经验设计方法一直饱受诟病,拉压杆模型等应力方法却又不够成熟,基于整体式模型的遗传演化算法还存在诸多问题。基于分离式模型和非线性分析结果的遗传演化算法可以直观地得到较为分散的配筋设计,利用钢筋分离模型遗传演化结构优化构造了悬臂深梁、异形梁、牛腿等多种钢筋混凝土D区构件的配筋拓扑,验证了钢筋分离模型遗传演化结构优化在钢筋混凝土D区配筋优化方面的普遍能力。还借助有限元软件探讨了一组开洞剪力墙的非线性力学性能,证实了钢筋分离模型遗传演化结构优化设计的构件在比弹性应力方法节省20%左右钢筋用量、比经验方法节省超过75%钢筋用量的前提下,与弹性应力方法设计的构件承载能力基本相当,比经验方法设计的构件极限承载力仅低不到15%;且钢筋分离模型遗传演化结构优化从延性方面对钢筋混凝土D区构件的性能进行了改善。     

随机激励下考虑SSI效应的TMD-结构控制参数优化设计

TMD是高层建筑结构抗震和抗风等减震控制的主要方法,结构体系频率和TMD参数的适配性对控制效果起决定性作用。现有规范中忽略土对上部结的构的影响,使得TMD-结构振动控制与实际工程情况存在脱节。本文以结构的最大层间位移为控制指标,将优化算法与概率密度理论方法结合,以十层混凝土框架TMD-结构参数优化为例,研究了SSI对TMD结构控制效果的影响,并实现了随机激励下TMD建筑结构参数的优化设计。为TMD建筑结构最优化设计提供了新的思路和方法。     

基于三线性分灾模型的结构多目标抗震优化设计

基于分灾抗震设计概念,发展了基于三线性分灾模型的结构多目标优化设计方法。以防屈曲支撑为分灾构件的框架结构为例,针对分灾构件设计参数,采用多目标遗传算法进行分灾结构多目标优化设计。最终得到了分灾框架结构分灾构件用量和层间位移角等重要特性的多目标优化关系,并进行了相关讨论。结果表明,结构多目标分灾优化模型可以综合考虑结构造价和抗震性能等,并可以根据目标偏好有效地满足设计需求;分灾构件对抗震性能的作用随着震级增大而增强,使用分灾构件的结构能够更好地抵御强震的作用。     

离散变量结构优化设计的序列两级算法

本文提出了离散变量结构最小重量设计的一个简单方法。所考虑的结构由轴力杆梁和柱组成。通过引进序列两级优化的概念,该方法避开了离散变量优化的组合性质。作为算例,给出了地震、风、活荷载和呆荷载组合作用下带有位移、频率、应力、稳定及构造要求等约束的平面和空间钢框架的优化设计。     

黏滞阻尼器在超高层结构体系中的效率研究

250m以上的超高层结构主要有框架-核心筒、框筒-核心筒和巨型框架-核心筒等三种结构体系．由于超高层结构的高宽比通常较大（5以上）,结构的侧向变形往往成为控制因素．随着消能减震技术的不断成熟,黏滞阻尼器越来越多的应用于建筑结构领域．本文分别将黏滞阻尼器均匀布置在上述三种超高层结构体系中,对比其消能减震效果并分析原因,最后建议了黏滞阻尼器在这些结构中的较优布置．     

基于无单元法的平面框架地震反应分析

无单元法在动力计算领域中的应用目前多以梁、板等简单构件的自振特性分析为主,对建筑结构的动力计算,尤其是地震反应分析尚未涉及.文中推导了无单元法的离散动力方程,以轴力杆、欧拉梁模型为基础,将简单构件的无单元动力计算推进到实际结构的地震反应分析,并给出了数值实现的基本流程.最后以一个十一层钢筋混凝土高层结构为算例,实现了多层多跨平面框架的无单元地震反应分析,达到了预期的效果,验证了无单元法应用于平面框架地震反应分析的可行性和有效性.     

考虑材料设计变量的热-固耦合结构的优化设计

从材料-结构协同设计的角度研究了热-固耦合结构的优化设计问题,将决定结构材料性质的细观参数与结构宏观几何参数作为设计变量,利用均匀化方法推导了细观设计变量灵敏度显式计算式,并结合耦合场有限元方程构造了耦合场设计变量灵敏度计算式;提出了材料-结构协同设计的三种优化设计模型.利用结构响应最小优化模型对算例进行了计算,比较了宏观设计变量优化和材料-结构协同设计优化的效果.计算结果显示,材料-结构协同优化设计可以取得较单一宏观设计变量更好的优化效果.     

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。     

考虑强度与固化变形的复合材料加筋壁板铺层优化方法

加筋壁板是复合材料飞行器主承力构件的主要结构形式,通过复合材料铺层参数设计可以有效优化壁板的强度,但铺层参数的变化也会影响壁板的固化变形.因此,复合材料加筋壁板铺层设计过程中需要综合考虑整体强度和固化变形.本文针对复合材料加筋壁板结构,建立了失效分析模型和固化变形分析模型;基于实验设计方法、NSGA-Ⅱ遗传算法以及上述分析模型,建立了综合考虑强度与固化变形的加筋壁板铺层优化方法.优化结果显示复合材料加筋壁板在强度提高的同时,固化变形显著降低.     

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。     

考虑尺寸效应的模块化结构两层级优化设计

出于构造、美观、生产工艺、质量控制、降低成本等考虑,在很多工业应用中,整个结构或装备可被规整的分成几个相同的子区域,各个子区域的结构形式完全相同,这样的子区域称为基本设计模块. 整个结构或装备可通过有限个基本设计模块重复拼装而成. 针对此类模块化结构,考虑结构与模块间的耦合作用,提出了结构、模块两层级并发优化设计的模型与求解方法,研究了基本设计模块的绝对尺寸对优化结果的影响. 通过在结构和模块两个层次上分别引入独立的人工密度变量,借助拓扑优化技术和惩罚策略,给出了最优的设计模块构型以及模块在结构尺度上的最优分布,通过单工况和多工况数值算例验证了该方法的有效性.      

虚拟层合单元在平面梁和拱形状优化中的应用

本文在虚拟层合单元的基础上,为适应形状优化时边界变化的特点,构造了曲线分层的虚拟层合梁单元,这样,求解优化问题时仅把特定的层厚作为设计变量,无须改变原始数据结构,有限元网格只在优化初始生成一次即可,具有单元数少、设计变量少的优点,算例表明此法计算简便,结果可靠,具有良好的工程应用前景。     

结构拓扑优化中变量连接算法研究与软件实现

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。