工程结构优化设计

从结构工程的角度，介绍了结构优化设计与传统设计的异同点；概述了结构优化设计的数学模型的一般描述形式，简述了设计的数学求解方法；重点通过几个工程实例，比较详细地给出了相应工程结构优化设计模型的建立过程，并给出了优化结果。     

改进单向搜索遗传算法的工程结构优化设计

本文基于规范规定的约束条件和各项技术标准要求，建立了离散变量结构优化模型。针对遗传算法在迭代过程中经常出现未成熟收敛、振荡、随机性太大和迭代过程缓慢等缺点，提出一种新的遗传算子单亲遗传算子，用于对遗传算法的改进。并提出一种离散变量结构优化设计的单向搜索算法与遗传算法结合在一起解决问题。优化设计结果表明，这种改进单向搜索遗传算法的收敛特性得到了很好的改善，即发挥了单向搜索算法局部搜索能力强的特点，又发挥了遗传算法全局性好的特点。该方法是一种有效的工程结构优化设计方法。     

热力耦合结构的弹性支撑分析与拓扑优化设计

弹性支撑是保证热力耦合载荷作用下结构有效承载的一种支撑设计方案, 可以在满足结构刚度设计要求的同时有效降低结构内的应力集中, 保证结构的热变形协调. 从理论分析与数值计算两个方面, 研究了热力耦合载荷作用下结构的弹性支撑优化设计. 首先以弹性支撑梁模型为例, 通过给出热力耦合载荷下应力计算的解析表达式, 从理论上说明弹性支撑对结构应力峰值的影响, 阐述了弹性支撑的承载与热变形协调的双重效果. 在此基础上, 提出了解决该类问题的弹性支撑通用优化数学模型和拓扑构型优化方法, 通过数值算例与优化结果展示了方法的有效性.     

基于遗传算法的结构支撑位置优化

采用整数编码、实数编码、种群隔离机制、算术杂交、非均匀随机变异等新理论设计了一种广义遗传算法,并将该算法应用于结构支撑位置优化问题。数值算例表明,该方法能够很好地求解支撑具有弯曲刚度的结构支撑位置优化问题,对于一般支撑位置优化问题具有较强的适用性。     

结构拓扑优化设计的三角网格进化法

针对进化或拓扑优化方法的不足，提出了一种基于遗传算法的新型进化式拓扑优化方法－－三角网格进化法，该方法不仅能够同时进行拓扑，形状与截面变量优化设计，而且在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。另外本文还首次对结构类型变量进行了优化计算，取得了有益的结果。最后几个数值算例证明了本方法的可行性和有效性。     

桁架结构截面优化设计的改进模拟退火算法

将模拟退火算法应用于桁架结构截面尺寸优化设计,提出若干方法改进了算法的鲁棒性、计算效率和求解精度。通过一批经典问题,同时与传统结构优化算法和遗传算法进行了比较。数值结果表明,本文的改进模拟退火算法具有很高的优化求解精度,计算效率有显著提高且优于遗传算法,有望在结构优化设计问题中发挥其特点。     

基于实验设计法的工程结构优化设计

基于实验设计法,提出了一种新的工程结构优化设计方法,这种方法将设计变量的水平值配列于正关表中,按正交表的参数组合条件进行结构解析,通过对设计变量对于目标函数值的方差分析和F检验,改变设计变量的水平值,进而通过迭代计算使设计变量趋地最优解,本文以杵架结构为计算例,验证了本方法的全局收敛性和优化精度,由于无需构建目标函数和约束函数以及微分计算,此方法具有简单而又适应广泛的优点。     

蒙皮点阵一体化支撑结构的移动可变形组件优化设计及空间站应用

中国空间站是我国研制的系统最为复杂的载人航天器,其中有效载荷支撑结构的高效轻量化设计是工程研制过程中遇到的技术难题。本文介绍了受晶体对称性启发的增材制造自支撑三维点阵结构设计方法,发展了基于蒙皮点阵一体化结构形式的移动可变形组件（MMC）拓扑优化方法,完成了面向增材制造的中国空间站某相机支撑结构的优化设计,该结构采用激光选区熔化成形（SLM）工艺制造,通过了力学试验考核,实现结构减重50%,基频提高35%,完成了基于MMC方法的蒙皮点阵一体化结构在我国载人航天领域的首次型号应用与在轨验证。     

基于自动分组遗传算法的建筑结构体系与构件尺寸协同优化设计

研究了利用结构优化方法实现建筑结构体系选择的问题。文中建立了可以覆盖框架、框架-剪力墙和巨型结构三种体系的优化模型,并采用自动分组遗传算法求解,实现了结构体系与构件尺寸的协同优化。文章特别设计了三类模块,每类模块通过专门构造的含有多个分量的设计变量来表示,按一定方式组合这些模块可得到不同体系的结构。巨型结构中,巨型构件的设计变量表示方法和惯性矩计算方法满足提出的三条假设。基于精心构造的设计变量和三条相关假设,文中建立了以结构总材料用量最少为目标,考虑强度、刚度、分组及构造要求等约束条件的优化模型,采用自动分组遗传算法研究了40层、10层、6层三种高度建筑的优化设计。在相同外荷载条件下,它们的最优设计分别为巨型结构、框架-剪力墙和框架结构。     

基于自动分组遗传算法的建筑结构体系与构件尺寸协同优化设计

研究了利用结构优化方法实现建筑结构体系选择的问题。文中建立了可以覆盖框架、框架-剪力墙和巨型结构三种体系的优化模型,并采用自动分组遗传算法求解,实现了结构体系与构件尺寸的协同优化。文章特别设计了三类模块,每类模块通过专门构造的含有多个分量的设计变量来表示,按一定方式组合这些模块可得到不同体系的结构。巨型结构中,巨型构件的设计变量表示方法和惯性矩计算方法满足提出的三条假设。基于精心构造的设计变量和三条相关假设,文中建立了以结构总材料用量最少为目标,考虑强度、刚度、分组及构造要求等约束条件的优化模型,采用自动分组遗传算法研究了40层、10层、6层三种高度建筑的优化设计。在相同外荷载条件下,它们的最优设计分别为巨型结构、框架-剪力墙和框架结构。     

一种三维结构拓扑优化设计方法

采用传统的渐进结构优化方法进行复杂三维结构拓扑优化设计的迭代过程中,常在一些迭代步,结构上会出现少量小的孤立体,从而使得结构奇异,以致结构拓扑优化迭代无法进行.为了解决这个问题,首先,采用沿结构边界和孔洞周围附加人工材料单元的措施,将结构拓扑优化模型近似等效地转变为一个非奇异结构拓扑优化模型.然后,针对各向同性和拉、压特性不同的所有材料结构,提出了一种三维结构拓扑渐进优化方法和相应的算法.最后,给出了几个典型和复杂的三维结构的拓扑优化设计算例.算例表明该方法是正确和有效的,且具有广泛的工程应用前景.     

结构拓扑优化的一些基本概念和研究方法1)

介绍了结构拓扑优化研究领域的一些基本概念和主要问题。分析了拓扑优化结构的类桁架性质以及离散化性质,给出了几个作为标准 算例的典型解析解答。简述了各种结构拓扑优化数值方法的优化策略和特点。解释了连续体结构拓扑优化数值方法中普遍存在的单元依 赖性、奇异性、棋盘格等数值计算不稳定问题现象。介绍了准则法、序列规划方法和启发式算法等各种数学优化求解方法的基本原理。使 初学者初步建立结构拓扑优化相关基本概念。     

考虑竖向地震作用的振动控制及其优化研究

目前,MRD结构的分析通常只考虑水平地震动而不考虑竖向地震动的影响,地面的水平运动和竖向运动具有相关性,从而影响控制效果．因此对双向地震耦合作用下MRD结构的理论进行研究,建立动力分析模型并得出运动微分方程．以8层MRD结构为例进行地震反应分析,研究表明,考虑和不考虑竖向地震作用,MRD对结构均有良好的控制作用,但是竖向地震作用的存在,使结构各层的层间位移峰值有不同程度的增加,其增量随着竖向地震作用的增加而增加,因此建议在高烈度地区的建筑物考虑竖向地震作用对结构的影响．建立MRD结构优化设计模型,采用IHGA程序对结构进行优化设计．结果表明, MRD结构在各种工况下的各项地震反应均得到更好的控制．     

结构优化技术在高速飞行器上的应用与面临的挑战 1)

高速飞行器是航空航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术及其在飞行器零部件和全机结构概念设计中的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,总结高速飞行器结构设计中存在的主要问题和应用需求,着重介绍近年来在高速飞行器零部件和全机结构概念设计中应用结构优化技术的典型案例;最后,提出近期亟待突破或完善的结构优化技术。结构优化技术与设计经验相结合带来设计理念的变革,将成为先进飞行器设计的必备工具和标准流程。面向重大需求的结构优化理论研究与工程实践对提升我国航空航天核心竞争力具有重要价值。     

考虑结构失稳特征的复合材料机翼气动弹性优化设计

从工程数学求解和有限元分析角度对复合材料结构的稳定性分析方法进行研究,基于这两个方面分别建立了同时考虑壁板稳定性约束和气动弹性约 束的气动弹性优化技术,并以大展弦比复合材料机翼为对象,进行气动弹性综合优化设计。研究表明,机翼气动弹性优化中若不考虑稳定性约束条件,虽然可以获得较小结构重量,但往往不满足稳定性要求;相比从有限元角度考虑结构失稳特征的气动弹性综合优化设计方法,通过工程数学方法对机翼结构进行分区失稳分析优化可以更加精准地控制变量,在满足各项性能指标,特别是稳定性约束的同时,进一步减轻了结构重量,提高了结构失稳因子。     

AEROELASTIC OPTIMIZATION DESIGN OF COMPOSITE WING WITH CONSIDERATION OF STRUCTURAL INSTABILITY

从工程数学求解和有限元分析角度对复合材料结构的稳定性分析方法进行研究,基于这两个方面分别建立了同时考虑壁板稳定性约束和气动弹性约 束的气动弹性优化技术,并以大展弦比复合材料机翼为对象,进行气动弹性综合优化设计。研究表明,机翼气动弹性优化中若不考虑稳定性约束条件,虽然可以获得较小结构重量,但往往不满足稳定性要求;相比从有限元角度考虑结构失稳特征的气动弹性综合优化设计方法,通过工程数学方法对机翼结构进行分区失稳分析优化可以更加精准地控制变量,在满足各项性能指标,特别是稳定性约束的同时,进一步减轻了结构重量,提高了结构失稳因子。     

三环减速器的结构参数优化

介绍了三环减速器的结构组成及研究概况,对偏置式三环减速器的内齿行星齿板,高速偏心轴,低速输出轴的受力情况进行了研究,分析了建立该类过约束传动系统补充方程的位移协调原理．以SHQ40型三环减速器为例,分析介绍了优化结构参数的原理和方法,并按其实际参数进行了优化．优化后的三环减速器各动载荷幅值均有明显下降,且载荷分布曲线比优化前平缓得多、     

WIDENING AND DEEPENING OF RECIPROCAL PROGRAMMING AND ITS APPLICATION TO STRUCTURAL TOPOLOGY OPTIMIZATION 1)

本文的工作涉及数学与力学两方面,数学方面：(1) 将数学规划论中新提出的互逆规划,从 s-m 型 (或称为 m-s 型) 发展出 s-s 型和 m-m 型互逆规划 (其中 s 意为单目标,m 意为多目标),从而使互逆规划的定义完备成为 3 种;(2) 从 KKT 条件审视互逆规划的两方面,得到了互逆规划双方求解涉及拟同构和拟同解的 3 个定理,并且予以证明,提供了在求解中对于互逆规划双方在求解中相互借鉴的理论基础;(3) 对一对互逆规划双方皆合理的情况和某一方不合理的情况,皆给出了求解策略和具体解法. 力学方面：(1) 给出结构优化设计模型合理与否的诠释;(2) 在互逆规划对结构拓扑优化的应用中,提出了不合理结构拓扑优化模型的求解策略;(3) 给出了借助 MVCC 模型 (多个柔顺度约束下的体积最小化) 解决 MCVC 模型 (对于给定体积下的多个柔顺度的最小化) 的途径,其中的建模基于 ICM (独立连续映射) 方法. 用 Matlab 编程给出了数值算例. 其中两个数学问题图示了互逆规划的双方关系;其中,结构拓扑优化问题是众多结构拓扑优化中的两个个案;数值结果均支持了本文提出的互逆规划理论.     

遗传算法求解可行域分离的结构优化问题

应用遗传算法求解了两类可行域分离的结构优化问题：局部屈曲约束的桁架拓扑优化问题和动力响应约束优化问题．对第一类问题，提出了新的数学表达式，适合于遗传算法求解．采用了改进的适应度函数及约束处理方法、约束凝聚选择、交叉操作改进和竞争最优保留，提高了遗传算法的效率和可靠性．算例说明，该方法能够克服可行域分离给传统优化算法带来的困难，有效地在多连通可行域中搜索全局最优解．     

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为开展小型飞机起落架结构的轻量化设计工作,本文首次将有关的强度规范引入其中, 并以杆件的强度与失稳载荷作为限制条件,采用位置优化与尺寸优化进行起落架结构的最小 重量设计. 由算例可知：仿真的优化计算与实验结果相符合;理论分析与航模载重参赛飞行 情况也表明：此法不仅可行而且有效,可以用于类似的小型或者超轻型飞机的起落架结 构设计.