简谐力激励下结构拓扑优化与频率影响分析

研究了简谐力激励下以结构指定位置稳态阶段位移响应幅值为目标函数、结构体积为约束的拓扑优化设计问题. 通过在频域上使用模态叠加法求解简谐力激励下的位移响应, 分析了激励频率和作用方向对位移响应幅值及其优化结果的影响.引入材料属性的多项式插值惩罚模型, 有效消除了动力学拓扑优化局部模态现象.分析了高频激励下位移响应幅值拓扑优化存在的稳定性差、结构不连续等问题, 并通过引入附加静位移约束, 获得了清晰合理的结构形式.理论分析和算例结果揭示了位移响应幅值优化过程中结构模态的变化规律, 验证了该拓扑优化模型的有效性.     

结构拓扑优化ICM方法的改善

对结构拓扑优化的ICM(独立、连续、映射)方法进行了深入探讨，通 过选取不同的过滤函数可以不进行每步删除而得到清晰的拓扑图形. 以位移约束为例阐述了 ICM方法建模及求解过程. 对位移约束、频率约束、位移及频率约束、简谐载荷激励下动位 移幅值约束等拓扑优化进行了研究，计算算例表明ICM方法在处理静力问题及动力问题的拓 扑优化都是可行的. 程序算法都在MSC.Nastran及MSC.Patran的二次开发环境下实现，与 原软件有机结合在一起.     

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．     

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。     

接触力优化设计的熵正则化方法

包含单侧接触的机械和结构系统中,接触面间的局部接触力很大时,容易导致结构局部磨损和破坏。利用结构优化的手段极小化接触面上的最大接触力是调整接触面上接触力分布的一个有效途径。然而在数学上,目标函数的不可微和约束中的接触条件导致该结构优化问题属于非光滑和非凸优化问题,因而常用优化算法的优化结果是不可靠的。为此,本文提出接触力优化的一个熵正则化模型,并利用基于正则化过程的序列二次结构优化算法求解。所提的方法在数值上避免了处理不可微问题,而且正则化参数的调整还有助于获得更小的局部最优解。以离散结构为例的数值算例验证了本文的模型和算法。     

多位移等式约束拓扑优化及在光电精密结构设计中的应用

为了满足光电精密跟踪设备中光学系统对支撑结构变形位移相等的设计要求,基于变密度法,以刚度极大为目标,同时以体积约束和位移等式约束作为约束条件,构建结构拓扑优化模型。位移等式约束通过增广拉格朗日乘子法引入原目标函数,在拉格朗日乘子的求解中,采用考虑具有真实物理意义的近似替代法而非传统的纯数学迭代逼近方法。在利用伴随方法得到增广目标函数敏度基础上,采用MMA优化算法,在满足体积约束的同时进行迭代优化得到新结构。算例验证结果表明,本文方法能够有效解决具有多个位移等式约束的刚度极大结构轻量化设计问题。     

结构边界约束修改后的重分析方法

在结构设计优化中经常将结构边界约束作为设计优化对象,结构边界约束的修改通常导致系统的求解规模发生改变,使得快速准确分析修改后结构的响应成为一个挑战。本文发展了逐次矩阵逆(SMI)方法,提出了一种适合各种结构边界约束(包括初始结构中的约束)修改的快速重分析算法。该方法利用边界约束修改后对应刚度矩阵的对称性,有效缩减了计算量。数值算例表明,本文方法能够快速给出精确的重分析结果。     

Sizing optimization of truss structures by method of centers and force formulation

This paper describes a new approach to optimum weight design of truss structures. The force method is incorporated in an optimization algorithm based on the method of center points. Design variables are the member cross-sectional areas and the redundant forces evaluated for each independent loading condition acting on the structure. The optimization method utilizes the largest hyperspheres inscribed within the feasible space. The method of hyperspheres has been enhanced here to handle the compatibility equality constraints as well. By including the analysis step in the optimization cycle there is no longer the need to perform separate structural analyses thus saving computation time. The viability and efficiency of the proposed method are demonstrated for truss structures subject to multiple loading conditions and constraints on member stresses, nodal displacement and minimum gage. Numerical results are compared with those reported in the literature.     

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。     

受随机激励作用结构的演化设计算法

提出了研究受随机激励作用的结构动力优化的演化设计方法，演化模型以随机激力作用下结构的位移方差为约束，寻求最优的构件尺寸使结构的重量最轻。演化算法采用多种群遗传与搜索空间收缩策略，并利用高效的虚拟随机激励法进行随机响应重分析和准精确罚函数处理约束，保证了算法稳定而迅速地收敛于最优解，算例显示出本文方法的有效性。     

带频率禁区的结构单元尺寸二阶灵敏度动力优化设计

结构在服役期间经常受到风、地震或车载等激振作用，优化调整结构设计参数来设计结构动力特性以使其避开外部激励对应的卓越频率或高能频带，是提升结构安全性的有效手段。本文针对尺寸约束、频率禁区约束和结构重量最小化的结构动力学优化设计问题，基于Kuhn-Tucker条件和频率对变量的灵敏度，采用泰勒二级展开式推导并建立了结构频率对变量的二阶灵敏度单因子迭代计算方法，利用MATLAB平台编制了计算程序。算例表明比一阶灵敏度算法计算效率高、收敛稳定性强，且修正因子在优化全过程中无需调整，操作更为便利，并给出了单因子的合理取值区间。发现并初步论证了在设计变量未全部到达约束上下界时，“重量不再降低”只能作为最优的必要条件，“高阶频率收敛于频率禁区上限” 则应是充要条件，更适合作为收敛判据，其可有力甄别“伪最优”状况。基于数据表征，初步揭示了优化变量的修改主要受频率梯度主导，并发现频率梯度值大小与变量修正幅度大体成反比的变化规律。本研究对结构的抗风、抗震和在役结构的动力加固改造设计均具有重要的理论指导价值和现实意义。     

强迫谐振动下连续体结构拓扑优化

应用结构拓扑优化ICM(独立连续映射)方法,对强迫谐振动下结构拓扑优化问题建立了以重量极小为目标,位移幅值为约束的优化模型.位移幅值采用一阶泰勒展式近似,由于拓扑优化中设计变量数目通常很多,对强迫谐振动位移幅值的敏度分析推导了伴随法公式,使得一次敏度分析可以计算出对所有设计变量的偏导数,克服了采用直接法敏度分析中一次只能计算出对一个设计变量的偏导数的不足.算例表明用伴随法分析敏度在结构拓扑优化中可以大幅提高计算效率,ICM方法采用独立于截面及形状参数的拓扑优化设计变量更清晰地反映了拓扑优化的本质.     

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。     

一种基于应力的双方向结构拓扑优化算法

基于传统的渐进结构优化方法，提出了一种基于应力的双方向渐进拓扑优化算法。该方法是对传统方法和目前的双方向法的改进和完善。算例表明该方法能避免目前的双方向法具有的解的振荡问题，具有更高的可靠性，能获得更佳的拓扑结构。     

基于拓扑优化技术的集中力扩散结构设计

对于运载飞行器一类由多个部段装配而成的复杂结构, 外载荷往往被转化为多点集中载荷传递到结构某一部段, 为此, 结构上需要采取使集中力扩散的措施. 基于连续体拓扑优化, 以结构最小柔顺性为目标函数, 同时考虑设计域内材料用量约束和考查区域(承载结构)内力均匀性约束, 提出了集中力扩散结构优化设计的理论模型, 并给出了平面和三维两种不同的优化算例, 均得到了合理的优化设计结果. 最后, 针对运载火箭燃料贮箱短壳, 考虑工程实际的受力及约束情况, 给出了可行的概念性设计方案.      

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。     

复合材料导向叶片的结构与材料一体化优化设计

将材料细观结构优化和宏观结构优化结合起来,从结构与材料两个尺度出发,发展复合材料导向叶片的结构与材料一体化优化设计方法。在建立平纹编织复合材料细观结构分析模型的基础上,采用细观力学有限元法进行材料刚度性能预测,热-固耦合分析方法进行涡轮导向叶片结构分析。同时以细观结构参数和宏观结构参数为设计变量,以叶片质量最小为优化目标,并要求满足应力和位移方面的约束,进行编织复合材料导向叶片的结构与材料一体化优化设计。     

AN EFFICIENT GENETIC ALGORITHM FOR LARGE SCALE BUILT-UP STRUCTURAL OPTIMIZATION

In this paper,a new zigzag method for plate structures and a geneticalgorithm (GA) of dynamic source seed spaces are developed and a combination ofthem is used to deal with large scale built-up structural optimization.The new GAcombined with the zigzag method can work efficiently when coping with large scalestructural optimization included displacement and stress constraints.Examples showthat this GA is robust and can be used for many complex structural optimizationproblems.     

TOPOLOGY OPTIMIZATION OF TRUSS STRUCTURE WITH FUNDAMENTAL FREQUENCY AND FREQUENCY DOMAIN DYNAMIC RESPONSE CONSTRAINTS

In this paper, adaptive genetic algorithm (AGA) is applied to topology optimization of truss structure with frequency domain excitations. The optimization constraints include fundamental frequency, displacement responses under force excitations and acceleration responses under foundation acceleration excitations. The roulette wheel selection operator, adaptive crossover and mutation operators are used as genetic operators. Some heuristic strategies are put forward to direct the deletion of the extra bars and nodes on truss structures. Three examples demonstrate that the proposed method can yield the optimum structure form and the lightest weight of the given ground structure while satisfying dynamic response constraints.     

基于整体-局部技术的结构形状优化策略

针对大尺度结构局部形状优化设计中的求解效率与精度之间的矛盾,提出了一种基于整体-局部技术的结构形状优化方法.首先,分析并讨论了是否考虑对切割边界的边界条件进行修正的两种优化方案的优缺点.然后,提出了一种将整体-局部技术与无梯度优化法相结合的双循环优化程序.最后,通过一系列实例对双循环优化程序的实用性、效率和结果精度进行了验证分析.结果 表明,提出的基于整体-局部技术的结构形状优化策略对解决大尺度结构局部形状优化问题,无论是在计算效率还是在结果精度方面,都具有很好的效果.