采用自动分组遗传算法的频率约束下桁架拓扑优化

研究了带有频率约束的桁架结构拓扑优化问题.首先比较了同为铰结情况下采用两种不同单元-杆单元和梁单元模拟对频率计算结果的影响,发现杆模型会丢失杆件弯曲振动模态,得到的最大自振频率设计往往含有很细截面的杆件,而实际上具有很低的频率.为克服这一困难,并考虑到实际工程结构的结点具有一定的刚性,建议此类优化问题可以采用刚架模型进...     

多变量单元结构共振解耦动力优化设计方法

针对截面多变量单元结构的动力优化问题，建立了带频率约束的结构动力优化设计模型，对隐式非线性频率约束函数进行Taylor近似展开，给出了截面多变量单元频率梯度函数显式表达式，基于Kuhn-Tucker条件构建迭代算法，其中拉格朗日乘子通过建立联合方程组求解，形成了含多变量单元共振解耦优化设计方法。以矩形截面单元结构为算例的结果表明，所给单元多变量算法具有良好的准确性；截面变量对频率的贡献存在主次之分，区分指标可采用梯度值；次要变量的修正因子迭代中可采用定值，且其下限应尽可能降低，利于节约成本。本文工作对多变量复杂截面结构动力优化设计可提供理论指导，提高结构动力优化方法的适用性。     

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。     

考虑约束扭转的薄壁梁单元刚度矩阵

推导了薄壁空间梁单元刚度矩阵 ,考虑了双向弯曲及截面约束扭转对杆件轴向变形的影响 ;计算了截面的翘曲变形 ,以及二次剪应力对翘曲变形的影响 ,可适用于任意截面 (包括开口、闭口和混合剖面 )的薄壁杆件。计算结果表明 ,考虑约束扭转的薄壁梁单元刚度矩阵有相当好的精确度 ,可以用于薄壁杆件的静动力分析。     

汽轮发电机基础动力特性分析及优化设计

为了改善大型汽轮发电机基础动力特性分析存在的建模困难、计算量大、耗时多等问题,并降低汽轮发电机基础的最大动位移和提高基础的动力特性,以某电厂汽轮发电机基础为研究对象,分别采用实体单元计算模型和简化后的梁单元计算模型为动力特性计算模型,计算基础在1Hz~50Hz频率内的动力特性;然后基于梁单元计算模型,采用Kriging代理模型优化算法,以基础几何结构为设计变量,以降低基础最大动位移为设计目标,对基础进行优化设计。数值结果表明:梁单元计算模型与实体单元计算模型得到的计算结果相近,最大误差为3.79μm,在允许范围内,简化后的梁单元计算模型可有效地用于汽轮机基础动力特性计算;优化后的汽轮发电机基础的最大动位移减小了22.36%。本文介绍的Kriging代理模型优化算法能有效地应用于大型汽轮发电机基础的动力特性优化设计,降低基础的最大动位移和提高基础的动力特性。     

面向应力约束的独立连续映射方法

大多数已有的拓扑优化研究为系统刚度最大化设计,尤其以体积比约束下的静态柔顺度最小化问题为典型.从工程角度出发,结构强度设计至关重要.以往的应力研究表明,应力约束拓扑优化存在着奇异性、约束数目庞大、高度非线性特性等诸多数值困难.为了实现应力约束下的拓扑优化设计,采用归一化p范数应力指标以减少单元应力约束数目.遵循独立连续映射建模方式,引入密度变量的倒变量函数作为设计变量.推导了应力约束函数和体积目标函数对设计变量的敏度,并基于一阶和二阶泰勒近似得到各自的显式表达式.通过构造的系列二次规划子问题,原拓扑优化问题采用序列二次规划算法高效求解.二维数值算例考察了结构刚度和强度设计结果的异同,以及不同应力约束上限值对应力约束拓扑优化结果的影响.通过提出方法与传统变密度法结果的比较,说明提出的独立连续映射方法在应力约束下具有可行性和有效性.优化结果也表明了考虑应力约束的连续体拓扑优化具有必要性.      

基于变位移约束的结构材料优化设计

针对质量最小化、位移为约束条件的结构材料优化问题,提出了一种变位移约束的结构材料拓扑优化方法。采用分式有理式识别结构材料单元特性参数,以细观单元拓扑变量倒数为设计变量,结合均匀化方法求出宏观结构单元的等效刚度矩阵以及其对细观单元设计变量的导数,进而得到位移的一阶近似展开式。结合变约束限的思想,得到了以结构质量作为目标函数、位移作为约束条件的连续体细观结构拓扑优化近似模型;并采用对偶方法进行求解。对几种典型结构,进行了考虑单个和多个位移约束的结构材料优化设计,所得结果验证了本文方法的有效性和可行性。     

纤维杆元模型在框架结构非线性分析中的应用

本文基于Fiber模型,结合分段变刚度概念,推导建立了便于框架结构非线性分析应用的纤维杆元模型,即由杆件两端弹塑性区的纤维子单元及杆件中部弹性区的弹性子单元组成。弹塑性区由于受力较大,采用精细的纤维子单元模拟,中间弹性区受力相对较小,直接采用弹性子单元代替;同时,应用增分理论,分别推导了三维纤维子单元及弹性子单元的单刚矩阵,并采用静力凝聚方法,集成了三维纤维杆元模型的刚度矩阵。另外,直接应用混凝土及钢筋的本构关系,利用该计算模型对一栋12层框架结构进行了时程非线性分析,计算结果与振动台试验结果进行了比较,比较结果表明两者在结构动力特性,位移响应方面等均吻合较好,验证了该模型的有效性,可为推广使用提供参考。     

移动集中质量作用下Euler-Bernoulli梁的振动频率分析

研究了移动载荷作用下Euler-Bernoulli梁振动频率的变化规律。首先根据Euler-Bernoulli梁振动的控制方程,引入载荷和位移边界条件,建立梁单元的动力刚度矩阵和形状函数矩阵,然后采用傅里叶变换的思想,建立移动载荷惯性力引起的附加动力刚度矩阵,进而得到系统整体的动力刚度矩阵。通过Wittrick-Williams法进行求解得到移动载荷作用下Euler-Bernoulli梁的振动频率,与有限元法计算结果的比较,验证了此方法的正确性,体现了此方法在精度和计算规模上的优势。根据上述方法,揭示简支梁和悬臂梁振动频率随着移动质量速度与质量的变化规律。     

组合截面工程结构离散变量优化设计的通用模型及启发式算法

建立了组合截面离散变量优化设计的通用模型;提出了一种启发式求解算法。通过对截面设计变量的合并,把截面整体作为一个设计变量;将约束条件按其作用范围分为三类:局部约束、全局约束、中间约束,即介于局部和全局约束之间的约束;根据离散结构实体杆件在结构中受力和传力的特点,将杆件分为5类。针对三类约束的不同特点,分别给出了启发式求解算法。最后通过一个三维的空间结构实例给出验证,优化效率高,效果明显。六个工程实例的优化结果比经验设计可节省材料5.0～19.0%。实践表明本文提出的模型通用性强,启发式求解方法效率高且实用,适合大规模离散变量工程结构最轻设计问题。     

基于结构力学求解器的框架“强柱弱梁”机制探讨

框架结构的强柱弱梁延性机制一直是框架结构抗震设计当中的关键,在抗规中也一直保持重要的位置。文章基于结构力学求解器(Structural Mechanics Solver V2.6.1)的杆系模型,对框架结构的强柱弱梁问题进行半定量的探讨,建模计算了不同梁柱系数下结构的塑性铰分布情况以及极限承载力。同时,考虑结构力学求解器中不能进行塑性计算,为描述结构的延性耗能能力,提出了一种以低刚度杆件模拟塑性铰转动特性的建模方法。     

基于结构力学求解器的框架“强柱弱梁”机制探讨1)

框架结构的强柱弱梁延性机制一直是框架结构抗震设计当中的关键,在抗规中也一直保持重要的位置。文章基于结构力学求解器(Structural Mechanics Solver V2.6.1)的杆系模型,对框架结构的强柱弱梁问题进行半定量的探讨,建模计算了不同梁柱系数下结构的塑性铰分布情况以及极限承载力。同时,考虑结构力学求解器中不能进行塑性计算,为描述结构的延性耗能能力,提出了一种以低刚度杆件模拟塑性铰转动特性的建模方法。     

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。     

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。     

频率约束下离散变量的结构优化设计

本文根据离散变量结构优化设计的特点,提出了增益系数的数学定义、物理意义以及频率约束下增益系数的求法,采用文[1]提出的算法,求解频率禁区约束下的离散变量结构优化设计问题。     

弹簧地基上大直径单桩海上风机的一阶自振频率

自振频率是海上风机前期动力设计的主要难点之一,计算精度要求极高,而桩-土相互作用对自振频率影响显著。目前,针对桩-土相互作用普遍采用弹簧地基简化模型,为对比分析不同弹簧地基简化模型的准确性和精度,本文采用回传射线矩阵法,建立固定端、单弹簧、双弹簧和三弹簧这4种地基简化模型,基于Bernoulli-Euler梁理论和Timoshenko梁理论,求解风机系统的自振频率,并与风机基频实测值作对比,进一步分析三弹簧简化地基模型中地基旋转刚度、地基耦合刚度和地基水平刚度对风机系统基频的影响。研究结果表明,桩-土相互作用不可忽略,三弹簧地基简化模型计算风机系统基频精度最高;地基刚度对风机系统基频的敏感性次序为,地基耦合刚度>地基旋转刚度>地基水平刚度;当地基旋转(水平)刚度较小时,地基耦合刚度与地基旋转(水平)刚度的耦合效应对风机系统的基频影响较大;地基耦合刚度与地基旋转刚度的耦合效应对风机系统基频的影响程度大于地基耦合刚度与地基水平刚度的耦合效应。     

预应力索-桁架结构形状优化设计

就预应力索-桁架结构形状优化设计问题,考虑了施加预应力阶段、预应力与荷载共同作用阶段的性态约束条件,建立了设计变量包括截面尺寸、索力值、杆件及索节点坐标的形状优化数学模型;在求解方法上将设计变量分为两个子空间:第一子空间为索力值和截面尺寸优化设计空间,第二子空间为形状优化设计空间; 第一子空间给出新的求解方法以减轻结构重量,第二子空间用节点渐进法优化结构形状和布索位置以增加结构刚度.算例表明,该方法能使结构重量逐步减轻,结构刚度不减,形状逐步达到最优.     

板壳结构的应力约束拓扑优化设计

应用ICM 方法求解应力约束板壳结构拓扑优化问题,建立了寻求应力约束下结构重量极小化,每个设计变量控制多个单元的板壳结构拓扑优化近似显式的ICM 模型. 依据畸变能理论,将应力约束转化为畸变能约束,减少了约束数目. 采用精确对偶映射下的序列二次规划算法进行求解. 以MSC.Patran 及MSC.Nastran 软件作为二次开发平台,应用PCL 语言实现本文算法. 算例对于设计变量数等于单元数时的情况进行了计算,表明该方法有效可行.     

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。     

大型渡槽动力建模研究

根据渡槽系薄壁杆件结构的特点,提出了渡槽薄壁结构空间动力分析模型。采用空间梁段单元进行离散,考虑渡槽横向、竖向、纵向、自由扭转和约束扭转变形,由能量原理推导给出了渡槽槽身结构的单元刚度矩阵、质量矩阵的显示表达式;渡槽支架采用空间梁单元模拟;渡槽支架与槽身联贯的盆式橡胶支认采用弹性元件单元模拟。文中具体计算了某大型渡槽的模态,计算结果表明：该模型计算渡槽结构的固有频率与理论解和用大型结构分析程序SAP计算的结果良好接近。本文模型计算简单,使用方便,是大型渡槽动力分析的实用模型。