质量对结构优化理性准则法计算结果的影响研究

在结构优化中,质量作为设计资源能改善结构性能,但质量会引起自重与惯性载荷等问题,因而质量还会导致结构性能劣化。虚功准则方程组忽略了载荷对设计变量的导数,不能考虑质量导致结构性能劣化的一面。对于航空航天器、高速运行的车辆、机械和高精度天线等以自重和惯性载荷为主的工程结构,这种忽略导致虚功法得到的解与最优解相差甚远。导重法是严密推导的理性准则法,克服了虚功法准则不准的缺陷,优化效果较虚功法大幅提高。但对于考虑自重载荷的三杆、五杆桁架等简单结构优化问题,虚功法也可以得到与导重法相同的最优解计算结果,从拉格朗日条件出发解释该问题,给出考虑载荷对设计变量的导数时虚功法也可求得最优解的条件,这对于结构理性准则法及其工程应用的深入研究均具有重要理论与实践意义。     

天线结构的自动迭代设计

本文用准则法建立了大型高精度天线结构的自动迭代设计方法。用虚功法推导了天线结构在自重载荷下以重量不变为约束时相对最佳吻合抛物面的均方误差达到最小的最优准则;在优化中还考虑了最危险载荷下杆件的应力约束以及最小截面积约束。对三个天线的计算表明,此法收敛迅速,一般重分析次数在4～8次就获得收敛的结果。     

基于步长因子改进的导重法求解拓扑优化问题

结合固体各向同性惩罚微结构模型SIMP（Solid Isotropic Microstructures with Penalization）,将导重法用于求解拓扑优化问题。针对导重法迭代公式中步长因子的取值问题,提出两种变步长因子的控制策略,以结构最优性指标为参考,自动确定每步迭代的步长因子。同时引入密度补偿方法,以结构最优性指标为依据自动判断加入密度补偿的时机。利用经典拓扑优化算例,验证两种步长因子控制策略的优越性;通过细长梁算例,比较优化准则法OC（Optimality Criteria）和导重法的差异,分析对比两种步长因子控制策略施加密度补偿方法前后的计算结果。研究结果表明,两种步长因子控制策略能够取得更优解,有效提升求解效率;对于细长梁的拓扑优化问题,导重法求得的解较OC算法更具有全局性,优化效果更佳;密度补偿方法可进一步提升导重法的求解效率。     

结构优化导重准则及其意义与合理性

导重准则是根据结构优化问题的库恩-塔克极值条件严密推导出的理性准则,导重准则可表述为“最优结构应当按照导重正比分配重量”,意义明确、形式简捷,便于应用。导重准则法克服了虚功准则法无法考虑载荷随设计变量变化导数的缺陷,具有优化效果好、优化迭代前几步收敛快的明显优势。导重准则的作用是：在结构优化迭代计算中,以“导重”来引导结构重量、造价等设计资源在结构空间与构件间的合理分配,使这种分配达到以“各设计变量对应的重量与导重成正比”的最优状态。从结构优化基本形式出发给出导重与导重准则的数学与力学意义,对照结构优化基本理论对导重准则的合理性以及导重准则对结构优化寻优迭代的指导意义给出深入剖析,提出衡量结构设计最优化程度的最优性定量指标,可为导重准则法在工程结构中的广泛应用奠定坚实的理论基础。     

天线结构优化设计的准则法

本文提出了一种有效的结构优化方法——导重准则法。它严格按照极值理论推出结构最优的准则,克服了虚功准则法的缺陷(忽略了设计变量变化所引起的载荷的变化),因而能很快收敛到更优的解。本法比一般准则法更进一步的是:不仅可以对桁架杆截面或抗剪板厚度进行优化,而且可以优化节点坐标(梁高与环半径),两者同时优化可得到更优的解。通过几个天线结构的优化计算,证实本法收敛很快,只需几步就能得到工程上足够满意的设计。     

基于步长因子改进的导重法求解拓扑优化问题

结合固体各向同性惩罚微结构模型SIMP(Solid Isotropic Microstructures with Penalization),将导重法用于求解拓扑优化问题。针对导重法迭代公式中步长因子的取值问题,提出两种变步长因子的控制策略,以结构最优性指标为参考,自动确定每步迭代的步长因子。同时引入密度补偿方法,以结构最优性指标为依据自动判断加入密度补偿的时机。利用经典拓扑优化算例,验证两种步长因子控制策略的优越性;通过细长梁算例,比较优化准则法OC(Optimality Criteria)和导重法的差异,分析对比两种步长因子控制策略施加密度补偿方法前后的计算结果。研究结果表明,两种步长因子控制策略能够取得更优解,有效提升求解效率;对于细长梁的拓扑优化问题,导重法求得的解较OC算法更具有全局性,优化效果更佳;密度补偿方法可进一步提升导重法的求解效率。     

概率功能度量求解的共轭梯度步长调节法

功能度量法(PMA)由于其稳定高效的特点,适用于概率结构优化设计中概率约束的评定。PMA中改进均值法常用于求解概率功能度量,针对其求解高度非线性功能函数时出现周期振荡和混沌等不收敛现象,提出了一种新的共轭梯度步长调节法(CGS)。该方法基于RMIL共轭搜索方向和自适应步长调节策略提出,新的共轭搜索方向在保证收敛性的前提下加速了迭代进程,而自适应步长调节策略无需了解功能函数凹凸性及非线性程度等先验信息,无需确定步长的合适取值。通过限定步长准则自动选取初始步长,并随迭代过程不断调节,直至最终收敛。多个算例表明,与其他求解方法相比,本文的共轭梯度步长调节法更加高效且稳健。     

最优步长因子法在桁架结构尺寸优化方面的应用

针对桁架结构尺寸优化的特性,依据原约束优化问题的对偶函数关于KKT乘子的一阶偏导数确定乘子的寻优方向;依据对偶函数的极值必要条件和约束优化问题的KKT条件,推导乘子迭代的最优步长因子;依据广义Lagrange函数关于各杆横截面积一阶偏导数应为零的极值必要条件,推导出求解该非线性方程组的优化迭代求解式及其步长因子;通过2种不同约束条件的10杆桁架结构尺寸优化算例验证了本文方法可自动确定各迭代求解式中的步长因子;与已有文献采用序列二次规划法的算例相比,本文方法无需采用一维搜索法寻找步长因子,可大幅度减少计算时间。     

惯性载荷作用下火箭橇结构拓扑优化设计

基于均匀化优化方法,以结构的刚度最大化为目标、材料用量为约束,推导了考虑惯性载荷的准则法公式.由于目标函数具有非单调特性,拓扑优化迭代不易收敛到最优解,因此提出了对准则法迭代中涉及惯性载荷敏度计算部分的修正.通过实例研究表明:本文提出的修正准则法可以保证迭代过程平稳且获得最佳拓扑构型,该拓扑构型与SIMP和BESO方法的基本一致,说明了本文方法的可行性.最后利用本文方法对火箭橇结构进行了拓扑优化设计,所得结果对工程设计应用可提供有益的参考.     

基于能量优化的桁架几何非线性问题力密度法

力密度法最初是求解膜结构找形问题的方法,经发展可用于计算桁架结构的几何非线性问题。本文应用力密度法建立结构变形后的非线性平衡方程及相应的雅可比矩阵,用于迭代求解;从能量原理出发,推导出杆单元应变能、外荷载势能、结构总势能在每次迭代位移方向上关于步长λ的显式列式。相对于固定步长的牛顿法,本文将最优迭代步长λ引入求解,使结构在每次迭代位移方向上均达到总势能最小。经桁架算例验证,表明该方法可加快计算收敛进程。     

多工况结构拓扑优化的灰色权重折衷规划模型法

针对多工况结构拓扑优化问题中的载荷病态现象,基于RAMP (Rational Approximation of Material Properties)拓扑优化模型,提出应用灰色理论确定工况权重系数,并将应变能目标函数归一化的折衷规划模型法．通过专家评价方法获得工况权重系数的灰色区间,结合灰色理论计算工况权重系数灰色区间的精确值,并采用导重法推导出多工况结构拓扑优化问题的求解迭代表达式．通过定义载荷比描述载荷病态的程度,对多工况结构拓扑优化典型算例在不同载荷比及不同工况权重系数下进行结构拓扑优化分析．优化结果表明,灰色权重折衷规划模型及求解方法对多工况结构拓扑优化问题具有高效、稳定的特点,能够克服载荷病态问题,并通过大跨度甲板强横梁的结构拓扑优化设计证明本文设计方法的有效性．     

跨音速翼型反设计的一种大范围收敛方法

求解跨音速翼型的反设计问题时，传统的梯度型方法一般均为局部收敛. 为增大求解的收敛范围，依据同伦方法的思想，通过构造不动点同伦，将原问题的求解 转化为其同伦函数的求解，并依据拟Sigmoid函数调整同伦参数以提高计算效率，进而构造 出一种具有较高计算效率的大范围收敛反设计方法. 数值算例以RAE2822翼型的表面压力分 布为拟合目标，分别采用B样条方法, PARSEC方法及正交形函数方法等3种不同的 参数化方法，并分别以NACA0012, OAF139及VR15翼型为初始翼型进行迭代计 算. 计算结果证明，该方法适用于多种参数化方法，且具有较好的计算效率，从多 个不同的初始翼型出发，经较少次数迭代后， 均能与目标翼型很好地拟合，是一种高效的大范围收敛方法.     

Independent continuous mapping for topological optimization of frame structures

Based on the Independent Continuous Mapping method (ICM), a topological optimization model with continuous topological variables is built by introducing three filter functions for element weight, element allowable stress and element stiffness, which transform the 0-1 type discrete topological variables into continuous topological variables between 0 and 1. Two methods for the filter functions are adopted to avoid the structural singularity and recover falsely deleted elements: the weak material element method and the tiny section element method. Three criteria (no structural singularity, no violated constraints and no change of structural weight) are introduced to judge iteration convergence. These criteria allow finding an appropriate threshold by adjusting a discount factor in the iteration procedure. To improve the efficiency, the original optimization model is transformed into a dual problem according to the dual theory and solved in its dual space. By using MSC/Nastran as the structural solver and MSC/Patran as the developing platform, a topological optimization software of frame structures is accomplished. Numerical examples show that the ICM method is very efficient for the topological optimization of frame structures.The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10472003) and Beijing Natural Science Foundation (3042002) The English text was polished by Yunming Chen.     

优化迭代步长的两种改进增量谐波平衡法

增量谐波平衡法(IHB法)是一个半解析半数值的方法, 其最大优点是适合于强非线性系统振动的高精度求解. 然而, IHB法与其他数值方法一样, 也存在如何选择初值的问题, 如初值选择不当, 会存在不收敛的情况. 针对这一问题, 本文提出了两种基于优化算法的IHB法: 一是结合回溯线搜索优化算法(BLS)的改进IHB法(GIHB1), 用来调节IHB法的迭代步长, 使得步长逐渐减小满足收敛条件; 二是引入狗腿算法的思想并结合BLS算法的改进IHB法(GIHB2), 在牛顿-拉弗森(Newton-Raphson)迭代中引入负梯度方向, 并在狗腿算法中引入2个参数来调节BSL搜索方式用于调节迭代的方式, 使迭代方向沿着较快的下降方向, 从而减少迭代的步数, 提升收敛的速度. 最后, 给出的两个算例表明两种改进IHB法在解决初值问题上的有效性.      

部分输入未知条件下结构参数识别法研究

深入研究了输入信息测试不完备条件下的结构参数识别问题,从理论上论证了部分输入未知时动力复合反演问题补偿算法的实质,指出了全量补偿算法在严格意义上的适用条件,提出了更为简便的二阶段识别法,使部分输入未知条件下结构参数识别的理论进一步完善,并可为工程应用提供指导。数值算例验证了理论上的正确性。     

接触分析的光滑模型及迭代算法

利用变分不等式和基于信息熵的凝聚函数把有摩擦接触问题模型化为一个标准的凸二次规划问题,极大地简化了这一复杂的问题,同时引入摩擦方向约束并构造了以无摩擦解为初值的迭代算法,在较摩擦系数时计算也能保证收敛,算例表明算法高效可靠。