工程结构优化设计的一个途径——序列二次规划SQP

本文在以前工作的基础上,建议一个途径,供工程结构设计的截面优化和几何优化之用。这个途径的基本思想是把非线性规划化为一系列二次规划来求解。与过去常用的序列线性规划(SLP)相比,它比较适应于非线性程度高的工程结构优化问题。根据问题的性质,可以用不同的方式建立二次规划,这里将介绍我们已实践过的四种数学模型,收敛都相当稳定而且迅速。二次规划有成熟的算法,计算工作量虽比线性规划略大,但因整个优化过程的迭代次数可以减少,总的计算工作置并不大。序列二次规划法在工程结构优化领域中是一个有待进一步发展的途径。     

工程结构优化的序列二次规划

用序列二次规划可以高效率地解决许多工程结构的优化问题。一类问题将原来的非线性规划用力学处理和Taylor展开化为一系列二次规划问题,在目标函数可分离的情况下,通过Kuhn-Tucker条件进一步化为以Lagrange乘子为变量的准无约束的二次规划;在目标函数不可分离情况下,则直接求解原变量的近似二次规划,经过序列迭代,可以求解工程结构的静、动力优化问题。另一类问题是将原问题化为正多项式的几何规划,再将其对偶问题化为二次规划,序列迭代求解之,可以求解目标函数、约束函数非线性程度高的工程问题,对按设计规范公式进行设计的一类问题尤为有效。     

在优化设计中应用有效集法求解二次规划

一、前言 在工程优化设计中,人们面临着大量的非线性规划问题。当前数学规划的发展趋势是,把许多非线性规划问题转化为一系列二次规划来求解。虽然二次规划已有例如Wolfe算法、Lemke算法等等,但是这些方法的求解计算工作量较大,机时耗费甚多。故寻求更为有效的方法,不仅关系于二次规划本身,而且影响到更一般的非线性规划问题的求解。本文介绍有效集法在求解二次规划中的应用实践。     

非线性规划的序列单纯形解法及其应用

本文提出的非线性规划的序列单纯形解法SST克服了序列线性规划SLP解法和序列二次规划SQP解法的不足,它的特点是:①每做一次约束近似对应进行多次目标一阶近似下的线性规划求解,②把每次线性规划的最优点作为下次线性规划的初始基本可行解:③相邻两次线性规划之间进行一维搜索。为实现上述算法,对单纯形法进行了改造,并以二次规划为例,编制了SST方法的程序,较之Lemke算法,该法的矩阵存储量小,迭代次数少。该方法的优点是:(1)处理非线性规划问题较之SQP方法计算量小,而接近SLP的计算量;(2)避免了SLP方法有时迭代振荡的弱点,收敛稳定。     

下限原理在岩土工程中的应用

采用极限分析下限原理求解了岩土工程中基础的极限载力和边坡的安全系数。求解过程中把有限元法和非线性规划相结合，把整个结构离散化，设定每个结点的应力，把原问题变成一个以边坡的稳定安全系数或基础的极限承载力为目标函数，以结点应力为优化变量，以对可静应力场的各种制约为约束条件的非线性规划问题。采用序列二次规划法求解该非线性规划问题，得到了人为构造的严格满足应力边界条件、平衡微分方程、不违反Mohr-Coulomb或Drucker-Prager屈服准则的应力场，解决了三维可静应力场的构造问题。算例分析表明，本文的方法是正确、可行的。     

采用新型损伤指示因子和结构优化方法的单元损伤识别

在一种新型的损伤指示因子的基础上,采用最小二乘法建立损伤识别问题的优化模型,通过模态综合方法计算结构模态的灵敏度,采用半解析法计算指示因子对损伤参数的灵敏度,最终由序列线性规划方法求解优化问题。数值算例验证了本文方法的可行性。     

斜拉桥合理成桥状态确定的序列二次规划法

本文首先介绍斜拉桥合理成桥状态的概念和现有的斜拉桥索力优化方法。然后基于序列二次规划(SQP)算法，提出了一种用于确定斜拉桥成桥合理状态的实用方法，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，结构的应力和索力为约束条件，并计人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。运用该方法和空间非线性有限元分析程序分析了某斜拉桥的合理成桥状态，计算结果表明该方法简单、有效。     

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.     

关于两端固定柱抗失稳优化问题的注记

本文研究两端固定、端部受轴压的柱的抗失稳优化问题。对和重模式最优设计邻近的设计运用瑞雷简驻值原理,并引入极限模式的概念后我们的分折表明,只要附加一些条件和作一定解释,Olhoff给出的最优解应满足的必要条件(以下简称为olhoff条件)仍然是正确的。推广本文思想可以建立起序列二次规划及序列线性规划算法用来求解多重模式的最优化问题。     

弹塑性结构优化的并行算法

本文给出了弹塑性结构优化设计的序列二次规划算法，分别考虑了弹塑性结构分析，灵敏度分析和二次规划的Ｌｅｍｋｅ算法的并行计算。针对弹塑性结构灵敏度的不连续性，比较了连续模型和间断模型的计算结果，结果是接近的。算例表明此算法有很好的并行性。     

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。     

基于优化算法的串联体系可靠度分析

结构体系的失效概率数学上可以表示为结构体系失效域上联合概率密度函数的积分，一般情况下很难直接积分求解。近几十年来，结构体系可靠度分析一直是可靠度领域的一个研究热点，人们提出许多方法，如：Monte—Carlo法、重要性抽样法与界限法和概率网络估算技术等，这些算法在求解精度、计算效率、收敛性和易使用性等方面是不同的。本文采用优化算法(改进的可行方向法、序列线性规划和序列二次规划法)进行串联体系可靠度分析，并且与其他算法(HL—RF法、Monte—Carlo法和重要性抽样法)的结果以及一些精确解进行了比较。结果表明，相对于其他算法，基于优化算法的可靠度分析适用性广，在收敛性和健实性等方面具有明显的优势。     

求解一类可分离凸规划的对偶显式模型DP-EM方法

推导对偶目标函数的精确显式表达式,可选用更多成熟高效的求解方法,从而进一步提高了非线性规划对偶理论求解结构拓扑优化问题的效率.研究工作来源于非线性凸规划同其对偶规划的间隙为零,可以等价转化为对偶问题求解,通常可以大大地缩小问题的规模,可是二者不具有显式关系却影响了对偶解法的应用.所幸的是,结构优化当中一大类问题包括连续体结构拓扑优化问题,不仅具有凸性,而且具有变量可分离性,于是原变量和对偶变量之间有了显式关系,因此,对偶解法成了38年来被应用的有效方法之一.然而长期以来,对偶问题的目标函数并不是显式,这缘于含参数的极小化问题导致目标函数为隐式表达,常见的显式化方法是进行二阶近似.本文突破了对偶问题难以显式化只能采用近似显式的定势,将我们提出的"对偶规划-显式模型"(DP-EM)方法应用于连续体结构拓扑优化,并与对偶序列二次规划(DSQP)算法及移动渐近线(MMA)算法为求解器的方法进行计算效率对比,结果显示:(1)MMA算法比DP-EM算法和DSQP算法的外部迭代次数均多;(2)DP-EM算法与DSQP算法外循环次数相同,而内循环数显著减少.说明了DP-EM算法具有显式对偶函数的优势.     

广义几何规划二阶缩并的原算法及其在结构优化中的应用*

本文采用函数单项高阶展式,将广义几何规划原问题在log-log意义下化为序列二次规划求解,得到广义几何规划的GGP-LOG-SQP算法,在Cromemco微型机上予以实现,并用此求解了一些结构优化中的广义几何规划问题,文中给出了一些算例。     

形状优化数值方法与自适应运动极限

本文对结构形状优化问题,结构截面尺寸优化问题和一般数学规划方法作了比较,讨论了一维搜索策略对优化方法的效率和严谨性的影响;根据粗糙一维搜索思想,构造了带自适应运动极限的序列线性规划法,用来解平面应力(应变)结构形状优化问题中出现的极小-极大问题,作了数值比较。附录给出了灵敏度计算公式。     

考虑性态约束时多工况桁架结构拓扑优化设计

本文提出了一种适用于桁架结构的拓扑优化设计方法。它以杆内力为设计变量,以结构重量为目标函数。该方法的主要特点是:第一,通过引入杆内力为设计变量,既克服了已有方法要求预定位移场这一主要困难,又为在拓扑优化过程中考虑应力、位移等性态约束创造了条件;第二,将多工况的拓扑优化问题描述为一个非光滑的数学规划问题,再通过一个变量代换将其转化为一般的规划为题,进而将原问题的求解又转化为几个线性规划问题的求解;第三,基于结构力学的三个基本方程,将位移与应力约束提成为线性不等式约束,这些约束同重量的目标函数一起构成了拓扑优化设计的线性规划模型。最后,将本方法应用于几个工程算例,得到了满意的数值计算结果。     

大型天线结构的保型优化设计

本文给出了以天线变形后相对“最佳吻合抛物面”的加权均方误差为目标函数的结构优化方法.用导数矩阵对复杂的目标函数进行局部线性化处理,并归结为二次凸函数.将此二次凸规划化为一附加一定条件的线性规划问题,并运用修正的单纯形法进行优化.所选择的优化参数有杆截面积、板厚、节点坐标以及截面积比例系数.在多个天线上运用此法均得到较好的结果.     

惩罚线性规划在杆系结构极限分析中的应用

本文使用递减梯度和基变换技术的惩罚线性规划求解杆系结构的极限载荷。应用相应的经过我们补充的计算机程序分别对桁架一刚架与板架进行了实例计算。计算结果表明,不仅与前人计算结果很一致,而且计算工作量也大为减少。本文为线性规划求解杆系结构的极限分析提供了一个有效的方法。     

复杂结构优化选型的计算方法

本文为复杂结构优化选型提供了一个比较实用的计算方法:根据原有结构型式和设计经验来建立优化选型计算模型;对目标函数和约束条件作数学上近似处理后,利用Kuhn-Tucker条件和Lagrange乘子,把选型问题转化为求解典型二次规划问题;引进加权因子和利用改进后的变尺度法使计算过程简化、可靠,而且精度较高.     

近似评价函数确定运动极限及其在形状优化中的应用

针对二维连续体形状优化过程中解析灵敏度求解困难的情况,利用响应面方法将目标函数和约束函数近似显式化,建立序列二次规划模型。为了保证优化模型的可靠性,结合试验设计方法,以较少的结构分析代价构造约束响应面,从而能够快而稳定地收敛,本文重点研究并建立了二次近似评价函数用以计算自适应运动极限的策略。算例说明这种策略是有效而稳定的。