A Method for Topological Optimization of Structures with Discrete Variables under Dynamic Stress and Displacement Constraints

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｂａｓｉｃｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｅｔｈｏｄ .Ａｓｅｔｏｆｎｏｄｅｓｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｇｉｖｅｎｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ,ｌｏａｄｃａｓｅｓａｎｄｏｔｈｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ.Ｔｈｅｎｏｄｅｓａｒｅｌｉｎｋｅｄｂｙｍｅｍｂｅｒｓｔｏｆｏｒｍｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｇｒｏｕｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ .Ａｌｌｔｏｐｏｌｏ…     

DYNAMIC RESPONSE OPTIMIZATION DESIGN FOR ENGINEERING STRUCTURES BASED ON RELIABILITY

IntroductionTheoptimumdesignofstructuraldynamicresponseisoneoftheimportantcontentsinthestructuraloptimizationdesign ,inwhichtherespondedphysicalquantityofstructuresunderdynamicexcitationaretakenasobjectorconstraintfunctions.Fortheproblemcomesdownsimultaneouslytothedynamiccharacteristicanalysisandthedynamicresponseanalysisaswellastheoptimumdesign ,itismoredifficultandcomplicatedthantheproblemofstructuralstaticoptimumdesign[1].However,therestillcomeoutsomeresearchproductionsinpastyears.Forexampl…     

具有动应力和动位移约束的离散变量结构形状优化设计方法

讨论了动应力、动位移约束下离散变量状优化设计问题。首先用拟静力算法,将结构惯性力极值作为静载荷施加到结构上,求得结构的动位移和动内力,然后将考虑动应力约束和动作移约束的离散变量结构优化设计问题化为静应力和静位移约束的优化问题。在求解过程中,将单元内力作了一阶近似,并将多约束问题转化为单约束问题,然后利用两类变量统一考虑的离散变量结构形状优化设计的综合算法进行求解。     

应力和位移约束下桁架拓扑优化的有无复合体方法

按照独立连续拓扑变量的思想,将有无复合体模型由构造应力约束问题发展为应力与位移约束问题,用于桁架结构拓扑优化．基于该文提出的位移约束与拓扑变量关系的近似显式,建立了具有应力、位移约束下桁架结构拓扑优化的有无复合体模型,用序列二次规划算法求解．数值结果令人满意．这一工作表明独立连续拓扑变量的提出对于结构拓扑优化的研究是有价值的。     

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。     

平面膜结构拓扑优化的有无复合体方法

将作者对桁架在应力约束下结构拓扑优化的有无复合体模型发展到平面膜结构在应力、位移约束下结构拓扑优化的建模与求解。同时提出了该模型的有效解法,获得了令人满意的数值结果。本文工作表明独立连续拓扑变量的提出对于结构拓扑优化的研究是有意义的。     

桁架结构动力特性可靠性优化设计

对结构物理参数和几何尺寸同时具有随机性的桁架结构动力特性进行了分析,构建了以杆截面积为设计变量,结构重极小化为目标函数,满足基频和频率禁区可靠性约束的约束动力优化设计数学模型,并对其中关切频率的估定、两种频率约束的统一表示等予以讨论,利用复合形法求解,最后给出了两个算例。     

统一骨架与连续体的结构拓扑优化的ICM理论与方法

技术了基于ＩＣＭ方法的结构拓扑优化新模型并应用于骨架与连续体结构。ＩＣＭ方法意指独立、连续变量与映射及其反演。新模型将两种结构统一建立了具有重量目标函数和多工况下应力与位移约束下的优化问题,提出的过滤函数是ＩＣＭ方法的关键技术之一。说明了优化策略与算法。     

Topology optimization design of continuum structures under stress and displacement constraints

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｉｎｕｕｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｄｉｄｎｏｔｄｅｖｅｌｏｐｒａｐｉｄｌｙｕｎｔｉｌｒｅｃｅｎｔｔｅｎｙｅａｒｓｏｗｉｎｇｔｏｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｉｎｖｏ...     

位移约束下智能桁架的强度最优控制

针对智能桁架结构，提出了在考虑多点位移约束的情况下，使结构工作应力处于最佳状态的规划法最优控制模型。当结构位移约束起主要作用时，模型可在保证位移约束的前提下，同时尽可能提高结构的承载能力；当结构位移并不重要时，仍可用该模型来提高结构的承戴能力。对于复杂结构，为了提高控制效果，可以调整为了满足位移条件而需要的作动器数目及布置方案。文中给出了数值算例，说明该方法的调控能力。     

METHOD BASED ON DUAL-QUADRATIC PROGRAMMING FOR FRAME STRUCTURAL OPTIMIZATION WITH LARGE SCALE

The optimality criteria (OC) method and mathematical programming (MP) were combined to found the sectional optimization model of frame structures. Different methods were adopted to deal with the different constraints. The stress constraints as local constraints were approached by zero-order approximation and transformed into movable sectional lower limits with the full stress criterion. The displacement constraints as global constraints were transformed into explicit expressions with the unit virtual load method. Thus an approximate explicit model for the sectional optimization of frame structures was built with stress and displacement constraints. To improve the resolution efficiency, the dual-quadratic programming was adopted to transform the original optimization model into a dual problem according to the dual theory and solved iteratively in its dual space. A method called approximate scaling step was adopted to reduce computations and smooth the iterative process. Negative constraints were deleted to reduce the size of the optimization model. With MSC/Nastran software as structural solver and MSC/Patran software as developing platform, the sectional optimization software of frame structures was accomplished, considering stress and displacement constraints. The examples show that the efficiency and accuracy are improved.     

基于拟满应力设计和遗传算法的网架截面优化方法

通过在遗传算法中嵌入拟满应力算子,提出了一种以网架结构杆件截面作为离散变量的优化设计方法,即基于拟满应力设计和遗传算法的网架截面优化方法.分析结果表明,该法能够提高遗传算法的搜索效率和获得全局最优解的可靠性,对于同时有应力和位移约束的网架等空间结构截面优化问题,这种混合算法有较高的效率.     

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.     

基于可靠性的桁架结构拓扑优化设计

建立了以杆截面为设计变量、结构重量极小化为目标、具有位移、应力等性态可靠性约束的桁架结构拓扑优化设计数学模型．通过引入可靠性安全系数，并利用结构力学的三个基本方程，将结构的位移和杆件应力可靠性约束等价显示化为设计变量的线性函数，使原基于可靠性的优化模型转化为常规的序列线性规划问题，利用修正的单纯形法求解．算例表明文中提出的方法既简单又有效．     

解决约束违背问题的一种自适应调整方法

带约束的优化问题的目的是要找到满足等式或者不等式约束的最优点。在某些情况下,优化求解得到的"最优点"可能会使得某个或某几个约束条件超出目标约束限,或者在所有约束条件中的最大值远远小于目标约束限。针对这一类问题,本文提出一种在寻优过程的每一次迭代中自适应调整约束限的方法,通过动态调整迭代过程中迭代模型约束限的值,将约束条件中最大值的约束条件变为等式约束,使得迭代解始终在可行域范围内,且收敛后的最优解不违背任何约束条件。本文将该方法成功应用于位移约束下结构重量最小化拓扑优化模型,原来不满足约束条件的情况在使用该方法后都能使约束得到满足,解决了约束条件被违背的问题。     

基于层次分解方法的桁架结构形状优化

对于桁架结构形状优化,应用层次分解优化方法,将设计变量分成杆件截面积和节点位置两类变量。求解时分为两层,第一层在给定节点位置下对杆件截面进行优化,同时考虑了应力、局部稳定约束和位移约束的重量最轻;第二层假定截面层的有效位移约束作用不变,求解一个使桁架刚度增强的二次规划问题,获得既不违反约束,又使目标函数不上升的新的节点位置,再返回第一层。两层交替进行直至收敛。     

分布式运动约束下悬臂输液管的参数共振研究

输液管道结构在航空、航天、机械、海洋、水利和核电等工程领域都有广泛应用,其稳定性、振动与安全评估备受关注.针对具有分布式运动约束悬臂输液管的非线性动力学模型,分别采用立方非线性弹簧和修正三线性弹簧来模拟运动约束的作用力,研究了管道在脉动内流激励下的参数共振行为.首先,从输液管系统的非线性控制方程出发,利用Galerkin方法进行离散化;然后,由Floquet理论得出线性系统在失稳前两个不同平均流速下脉动幅值和脉动频率变化时的共振参数区域;最后,考虑系统的几何非线性项和分布式非线性运动约束力的影响,求解了管道的非线性动力学响应,讨论了非线性项及运动约束力对管道参数共振行为的影响.研究结果表明,系统非线性共振响应的参数区域与线性系统的共振参数区域是一致的,分布式运动约束力对发生参数共振时管道的位移响应有显著影响;立方非线性弹簧和修正三线性弹簧模型所预测的分岔路径存有较大差异,但都可诱发管道在一定的参数激励下出现混沌运动.      

连续体结构考虑离散性目标的ICM方法

为了使求解位移和应力约束下重量最轻的连续体结构拓扑优化问题的ICM(独立连续映射)方法得到更清晰的拓扑形式,引入拓扑变量离散性条件作为目标之一,与原目标组成多目标规划模型,使拓扑变量向0或1两端靠近,减小了删除率对结果的影响;用图形处理方法消除了棋盘格现象及网格依赖性;通过初选准有效约束及选择设计区域等,提高了求解效率。算例表明:改进后的算法虽然迭代次数比原算法略多,但更稳键,更实用。     

Benchmark case studies in structural design optimization using the force method

A structural optimization algorithm is developed for truss and beam structures under stress–displacement or frequency constraints. The algorithm combines the mathematical programming based on the Sequential Quadratic Programming (SQP) technique and the finite element technique based on the Integrated Force Method. A new approach based on the single value decomposition technique has been developed to derive the compatibility matrix required in the force method. Benchmark case studies illustrate the procedure and allow the results obtained to be compared with those reported in the literature. It is shown that the computational effort required by the force method is significantly lower than that of the displacement method and in some cases such as structural optimization problems with multiple frequency constraints, the analysis procedure (force or displacement method) significantly affects the final optimum design and the structural optimization based on the force method may result in a lighter design.     

基于ICM方法的刚架拓扑优化

将ICM(独立、连续、映射)优化方法应用于刚架结构，建立了以重量为目标函数、考虑多工况下应力和位移约束的刚架结构拓扑优化模型。借助于磨光函数和过滤函数，实现了离散变量和连续变量之间的相互转换。考虑多工况应力拓扑解之间、应力和位移约束下拓扑解之间的协调，得到了合理的结果。文中给出的刚架结构拓扑优化算例表明，刚架结构的拓扑结构不同于桁架或连续体。