薄壁结构优化设计中梯度侧移法的应用

梯度侧移法已经能够解决450个变量的大型结构优化问题~[4]。但是直接用于薄壁结构的优化设计时,由于设计变量具有不同的数量级,收敛极慢。本文提出一个简单而有效的线性变换,使得这类问题变成新的设计空间中设计变量有相同数量级的优化问题。从而使梯度侧移法可适用于薄壁结构的优化设计。 在进行梯移和侧移的一维搜索时,一般采用步长试探法,需要6～10次结构重分析,才能收敛到约束边界。本文用二次函数逼近各个约束边界,一维搜索次数的减少,使梯度侧移法更为实用。     

基于蚁群算法的桁架结构布局离散变量优化方法

提出的布局优化方法是将桁架结构的截面变量、拓扑变量及形状变量统一为离散变量.将离散变量转化为适应于蚁群算法求解TSP问题的离散变量,应用MATLAB语言编写求解桁架结构布局优化程序,最终实现对问题的分析与求解.通过对几个经典的平面、空间桁架结构布局优化算例的验算表明:本文设计的基于蚁群算法的桁架结构布局离散变量优化方法较单独处理截面优化、拓扑优化及形状优化问题具有更大的效益,相对于其他布局优化方法也展现出更好的优化效果.“基于蚁群算法的桁架结构布局离散变量优化方法”在程序设计、求解速度、求解空间及其方法通用性等方面都表现出良好的性能,并且简单、实用,适应于实际工程应用.     

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.     

结构拓扑优化应力敏度分析的伴随法

针对受应力约束的连续体结构拓扑优化问题,推导了应力敏度分析的伴随法公式;并以算例形式,将伴随法计算的应力敏度结果与差分法结果进行对比,验证了所推导公式的准确性,应力敏度分析结果表明了应力对设计变量的偏导数具有局部性特点。在此基础上,以受应力约束重量极小化为目标的结构拓扑优化为例,对比分析了应力一阶Taylor近似与满应力法的优化效果。结果表明:相比满应力法,应力一阶近似能使结构应力在更多的部分达到许用应力,得到的最优结构重量更轻。对设计变量数目巨大的应力约束连续体结构拓扑优化问题,由于应力约束数目可以通过准有效约束初选及不考虑删除单元的应力约束等方式减少,通常比设计变量数目小很多,应用应力敏度分析伴随法可以显著提高计算效率。     

基于PTCNN的结构布局优化问题研究

对结构优化中的难点布局优化问题,基于交叉学科的优势,运用脉冲暂态混沌神经网络（PTCNN）的方法,对一个新型布局优化模型进行了寻优计算。在PTCNN算法中应用脉冲混沌动力自然解决了杆件的恢复和删除问题;利用神经网络的多神经元并行构成特点,通过参数调整方法解决了不同数量级变量问的耦合问题。因此PTCNN不仅是模型的寻优算法,更成为布局优化的一部分。此外构造了一个应力关联系数σ_AI,使面积变量随杆中应力大小按比例自适应下降。算例结果表明,基于PTCNN方法解决结构布局优化问题,有效且具有自适应性,布局优化效果明显。     

结构优化设计的两个可行方向法

对于满足刚度、强度、几何及工艺约束条件下使结构重量最轻的结构优化设计问题,可行方向法具有较快的收敛速度.通常可行方向法在对非线性约束求偏导数时,需要花弗大量的计算时间.本文根据结构问题的特性,在对相应约束进行分析的基础上,给出     

考虑平稳随机响应的显式结构拓扑优化

随机载荷是工程结构在服役中经常承受的一种复杂的载荷形式,通常采用统计学特性对其进行描述。对随机载荷作用下的结构进行拓扑优化设计是一项极具挑战性的工作,其主要难点在于,(1) 传统隐式拓扑优化方法的设计变量数巨大,且用于结构动态性能拓扑优化问题时存在虚假模态等数值不稳定问题; (2) 对结构的随机动力响应统计量及其灵敏度进行计算需要极大的计算量; (3) 隐式拓扑优化框架下的分析模型与优化模型强耦合,导致结构有限元模型具有极高的自由度,进一步加剧了上述困难。本文基于移动可变形组件框架和虚拟激励法理论,提出了一种平稳随机载荷作用下结构的显式拓扑优化设计方法。通过将一系列可移动和可变形的结构组件作为优化的基础单元,实现了使用少量设计变量描述结构拓扑构型的目的。采用虚拟激励法、自由度删除技术和模态位移法有效降低了对结构进行随机振动分析和灵敏度分析的计算量。在此基础上,以结构柔顺度的标准差为目标函数、以设计域内实体材料的体积为约束条件,实现了限带白噪声作用下结构的拓扑优化设计,并通过数值算例验证了本文方法的有效性。     

基于实验设计法的桁架结构几何优化

本文用基于实验设计法的优化程序对桁架的一组结构布局的布局优化问题进行了杆件全应力条件下几何优化计算,结果表明基于实验设计法的结构优化方法对于多设计变量优化问题的适用性．结构布局的几何优化结果表现了合理的一致性．     

狭长结构拓扑优化

通常的拓扑优化是在给定区域内，通过设计材料分布实现结构拓扑形式优化。对于设计区域的长和宽相近的平面问题，现行的方法可得到清晰的拓扑。但是，狭长结构的设计域具有大的长宽比。为了保证基结构包含足够多的拓扑形式，宽度方向要求有一定量的有限元分割，从而导致整体网格数和设计变量多、问题求解困难。本文提出了通过基本结构拼装的狭长结构拓扑优化方法，建立了以最小平均柔顺性密度为目标、同时设计材料分布和设计域几何尺度的基本结构的拓扑优化问题的数学提法和求解方法。利用所提出的问题提法和求解方法，设计了狭长悬臂梁的拓扑形式，讨论了危险截面的弯矩与剪力的相对值以及材料体积约束对拓扑形式的影响。数值结果表明，不同的弯矩与剪力的相对数值对应不同的拓扑形式，随着相对数值的增加，梁的拓扑形式由类桁架结构逐渐变成竖直立板加强的框架式结构。     

多层次联合的结构优化设计

多层次联合结构优化问题,通常含有不同种类的设计变量,例如,当构件的截面和结构的形状同时优化时,设计变量就可分为截面类设计变量{X_(?)}和几何类设计变量{X_g}。对这类问题,本文提出一个有效的求解策略,优化过程的每一步迭代都由两个子问题组成:(1)优化截面类设计变量{X_8}以减少重量,使约束趋于临界:(2)优化几何类设计变量{X_g}以放松约束。为下一轮迭代提供条件。本文的方法收敛较快且具有较好的稳定性。     

按不允许破坏状态反演优化设计钢筋混凝土框架

按在给定荷载作用下结构所不允许发生的破坏，确定结构应有的有关参数(如钢筋混凝土框架结构的配筋率、混凝土标号、截面尺寸等)，是不同于传统结构设计的一种新的设计理念。结合根据结构的破坏状态反演确定结构的有关参数的方法和结构优化设计的思想，本文提出了一种根据结构在遭遇灾难性荷载时“不倒”的设计原则进行结构优化设计的方法，谓为反演优化设计两步法，首先采用奖惩法确定可行点，给出可用的结构参数，然后再进行定向搜索，给出最优的结构参数。文中通过具体算例，说明该方法对钢筋混凝土框架结构按不允许的破坏状态进行优化设计基本上是可行和有效的。     

Design optimization of the S-frame to improve crashworthiness

In this paper, the S-frames, the front side rail structures of automobile, were investigated for crashworthihess. Various cross-sections including regular polygon, nonconvex polygon and multi-cell with inner stiffener sections were investigated in terms of energy absorption of S-frames. It was determined through extensive numerical simulation that a multi-celI S-frame with double vertical internal stiffeners can absorb more energy than the other configurations. Shape optimization was also carried out to improve energy absorption of the S-frame with a rectangular section. The center composite design of experiment and the sequential response surface method （SRSM） were adopted to construct the approximate design sub-problem, which was then solved by the feasible direction method. An innovative double S- frame was obtained from the optimal result. The optimum configuration of the S-frame was crushed numerically and more plastic hinges as well as shear zones were observed during the crush process. The energy absorption efficiency of the structure with the optimal configuration was improved compared to the initial configuration.     

一种求解含振子及弹性支承圆板振动的新方法

将富里叶－贝塞尔级数引入积分方程[1],推导出一种研究含振子及弹性支承圆板振动特性的新方法,根据积分方程和富里叶－贝塞尔级数理论,首先用第一类贝塞尔函数构造圆板的格林函数,然后由叠加原理将圆板的自由振动问题转化为积分方程的特征值问题;进面将积分方程形式的特征值问题转化为无穷阶矩阵的标准特征值问题,计算时根据精度的要求,截取无穷阶矩阵的标准特征值为有限阶矩阵的标准特征值问题,采用Q－R算法,计算实践表明,本方法不仅具有运算简捷,精度高,适用性强的特点,而且能从整体上对系统的动态性加以研究,从而为这类系统的优化设计提供有;力的 工具。     

随机参数连续体结构的动力学拓扑优化

构造了基于概率的连续体结构动力特性拓扑优化设计数学模型,以结构的形状拓扑信息为设计变量,结构总重量极小化为目标函数,满足结构多阶固有频率约束的可靠性要求为约束条件。利用分布函数法对模型中的可靠性约束进行了等价化处理。采用了渐进结构优化(ESO)的求解策略与方法。通过算例验证了文中所提出的设计模型及求解策略与方法的合理性和有效性。     

应力约束下三维连续体结构拓扑优化分析

本文基于ICM(独立、连续、映射)方法,建立了以连续体结构重量为目标的应力约束下多工况的三维连续体结构拓扑优化模型。利用von Mises强度理论,提出了应力约束全局化方法,从而将局部的应力约束转化为全局的应变能约束,由此减少了约束数目,降低了问题的规模,避免了敏度分析。另外,利用对偶理论,将建立的优化模型转化为对偶模型,用序列二次规划法进行了求解,从而减少了设计变量的数目,提高了求解效率。借助MSC．Patran和MSC．Nastran提供的软件平台,利用PCL语言实现了本文的优化算法。数值算例验证了方法的可行性与有效性。     

振动控制作动器的数目和位置优化设计

提出一种确定作动器的数目和优化设计作动器位置的方法。以独立模态最优控制方法为基础,将模态控制力和作动器作动力处理为随机变量,建立了模态控制力能量的自相关矩阵和作动器作动力能量的自相关矩阵。进一步通过作动力能量的自相关阵包含的能量确定了作动器的数目,在此基础上,建立了基于控制系统作动力消耗能量最小,优化设计控制系统的作动器最优位置。通过数值算例证明了该方法的有效性。     

一种隐式结构MIMU设计及标度因数温度误差分析

高动态、恶劣温度环境的微型飞行器应用中,由温度引起的MIMU标度因数误差与结构安装误差的耦合问题非常突出,常规MIMU及其标度因数温度误差标定补偿方法不再适用。提出并设计了一种隐式结构MIMU,分析了温度对MIMU结构及标度因数的影响机理,建立了与温度二次项有关的MIMU角速度通道和加速度通道标度因数温度误差模型,并提出了“多温度点三方位正反速率和双方位正反角度”标定方法,解决了MIMU误差耦合问题。标定与补偿试验结果表明,隐式结构MIMU结构安装误差受温度影响非常小,而标度因数是与温度的二次项有关的;标度因数温度误差补偿后,MIMU角速度通道、加速度通道动态精度都得到了显著提高,验证了隐式结构MIMU设计及标定方法的有效性和优越性。     

Noise-to-state finite-time practical stability for random nonlinear systems and its application in random Lagrange systems

The noise-to-state finite-time practical stability for random nonlinear systems and its application is studied in this paper. The definition of noise-to-state finite-time practical stability is firstly introduced in probability sense for random nonlinear systems. Next, the related stability criterion is also given by Lyapunov approach. For random benchmark system, the finite-time adaptive tracking control problem is investigated by the vectorial backstepping method and the obtained stability theorem. Simulation example illustrates that the constructed controller design scheme is effective and feasible.

     

基于断面形状优化的地铁车轮减振降噪研究

以降低地铁车辆在运行中产生的轮轨接触噪声为目的,将结构动力优化方法运用于地铁车轮断面外形设计,建立了地铁车轮振动噪声最优化设计的数学模型,编制了相应的算法程序.以我国某地铁车轮为例,给出了以车轮断面外形几何参数为设计变量、车轮结构振动辐射噪声值最小为目标函数的优化计算实例,得到了车轮断面外形几何参数在可行域内的最优解.结果表明,该优化设计方法是成功的,可以有效地降低车轮因振动而产生的噪声.     

Design of multi-layered porous fibrous metals for optimal sound absorption in the low frequency range

We present a design method for calculating and optimizing sound absorption coefficient of multi-layered porous fibrous metals(PFM) in the low frequency range. PFM is simplified as an equivalent idealized sheet with all metallic fibers aligned in one direction and distributed in periodic hexagonal patterns. We use a phenomenological model in the literature to investigate the effects of pore geometrical parameters(fiber diameter and gap) on sound absorption performance. The sound absorption coefficient of multilayered PFMs is calculated using impedance translation theorem. To demonstrate the validity of the present model, we compare the predicted results with the experimental data. With the average sound absorption(low frequency range) as the objective function and the fiber gaps as the design variables,an optimization method for multi-layered fibrous metals is proposed. A new fibrous layout with given porosity of multi-layered fibrous metals is suggested to achieve optimal low frequency sound absorption.The sound absorption coefficient of the optimal multi-layered fibrous metal is higher than the singlelayered fibrous metal, and a significant effect of the fibrous material on sound absorption is found due to the surface porosity of the multi-layered fibrous.