用反向渐进结构优化方法研究洞室支护优化

洞室开挖支护的优化是在铁路隧道、矿山开挖、水电站建设中经常面对的课题,特别是研究洞室开挖支护拓扑优化有着重要的意义。本文利用近年来发展的渐进优化方法(ESO)的概念,提出了反向ESO方法的迭代格式,建立了洞室开挖支护优化的准则及其敏感度,研究了均匀地基不同地应力条件使得开挖卸荷产生的总应变能最小的最优支护拓扑。结果证明了反向ESO方法的适用性,最优支护拓扑大致成椭圆或者圆形,其主轴方向与最大主应力主轴方向相同。     

双向固定网格渐进结构优化方法

近年来发展的渐进结构优化方法是一种有前途的结构拓扑和形状优化方法.本文在渐进结构优化方法的框架内建立了统一敏感度的概念,并基于固定网格有限元技术,发展了一种新的增加材料技术,提出了双向固定网格渐进结构优化方法.将该方法应用于复合材料壳结构开孔形状优化,以孔周等Tsai-Hill强度值作为优化目标,可以得到合理的最优解,证明了双向固定网格渐进结构优化方法的适用性.不同的初始点能得到几乎相同的最优解,展示了本文方法良好的全局最优性.     

渐进结构优化法(ESO)和双向渐进结构优化法(BESO)的近期发展

本文介绍渐进结构优化法和双向渐进结构优化法的近期发展和主要研究成果.从理论层面对该方法的合理性、连续体拓扑优化在多种工程问题中的应用,以及计算机软件的具体实现, 进行了阐述及算例演示.这些结果充分展示了渐进结构优化法解决实际工程优化设计问题的能力,以及其通过现有成熟建模界面广泛应用于日常建筑和机械结构设计的可行性.      

基于应力及其灵敏度的结构拓扑渐进优化方法

在导出应力灵敏度的基础上，建立了一种改进的基于应力及其灵敏度的结构拓扑双方向渐进优化算法．该方法是对传统ESO和BESO方法的改进和完善．算例表明该方法能较大程度减少解的振荡状态数，获得更佳的拓扑结构．具有概念上的简洁性和应用上的有效性。     

渐进结构优化方法失效机理分析与改进策略

针对ESO方法在Zhou-Rozvany算例中失效的根本机理进行了深入的分析,提出有效的改进策略。指出ESO方法失效的根本原因既不是网格划分的数目过少,也不是优化策略的不合理,而是对于各单元内材料有效性评估的误差所致。针对ESO方法的失效机理引入奇异单元的概念,并提出了一种基于奇异单元的改进策略,改进后的ESO方法能够在网格较为稀疏的情况下保证0-1优化结果的合理性。     

渐进密度AESO方法及其在热传导结构拓扑优化中的应用

研究用于结构拓扑优化的基于材料添加策略的进化算法(AESO方法).基于进化算法的思想,利用单元材料相对密度的变化描述材料的添加(从O到1)或删除(从1到O).当某些单元满足进化准则时,单元的相对密度进行O-1交化.研究发现.基于一步变化策略的AESO方法往往不能获得正确的拓扑形式,其原因可能是,进化后的响应量是基于密度为O或很小时的敏度经线性近似获得的,与实际相差很大.这种敏度的计算误差问题在ESO、BESO等硬杀算法中都存在.本文提出将进化过程分成多步,以软杀的思想进行硬杀优化,即使材料密度逐渐由O变化到1,实现材料的逐步添加.基于该策略,提出了渐进密度AESO方法,并比较分析了这种逐步添加的做法对结果的影响.算例验证了该方法的正确性和有效性.渐进密度AESO方法为双向进化算法(BESO)提供了有效的进化(材料添加)策略.     

基于NURBS插值的三维渐进结构优化方法

提出一种基于等几何控制点密度变量的三维双向渐进结构拓扑优化方法。在当前列式下,高阶NURBS基函数被同时用于CAD模型中NURBS实体片的几何场、位移场和温度场以及密度场插值,实现了几何模型、分析模型和优化模型的有效统一,确保了位移场、温度场及密度场的高阶连续性;详细推导了基于等几何控制点密度变量的三维渐进结构法模型及其灵敏度分析列式;最后几个典型的数值算例,包括最小柔顺性、热传导优化问题及三维结构自由振动的基频最大化问题,验证了本文方法的有效性。     

基于目标函数的渐进结构频率优化二次灵敏度及其应用

渐进结构频率优化中的二次灵敏度反映了结构变化后单元灵敏度的变化情况,利用二次灵敏度的二次删除法能够在一定程度上解决标准渐进结构频率优化方法中效率和精度的矛盾,是一种可行的折衷算法.本文将二次灵敏度的表达式进行了进一步推广,给出了基于目标函数的二次灵敏度的表达式,然后结合算例分析了利用基于目标函数二次灵敏度的二次删除法的性能,可以看出,推广的二次灵敏度以及利用该二次灵敏度的二次删除法能够应用于复杂条件下的结构频率优化问题.     

基于SIMP插值模型的渐进结构优化方法

在传统渐进结构优化算法(ESO)及带惩罚的变密度法(SIMP)的基础上,本文提出将二者相结合的基于SIMP插值模型的渐进结构优化算法.该方法通过缩小传统ESO算法中的进化步长,从而缩小了由于进化步长过大而导致的敏度评估误差,使得ESO算法在合理性及通用性上获得了较大改善.数值算例表明,该方法在保持了常规ESO方法的优点的同时,拥有更高的稳定性和可靠性.     

基于改进的双向渐进结构优化法的应力约束拓扑优化

工程结构设计时经常需要限制最大名义应力,以避免发生断裂或疲劳破坏,一个有效的策略是采用拓扑优化方法. 常规的双向渐进结构优化法(bi-evolutionary structural optimization, BESO)不能有效求解应力约束拓扑优化问题,为此本文提出一种改进的双向渐进结构优化方法,处理体积和应力约束下的最小柔顺性问题. 引入基于K-S函数的全局应力度量,以减小大量局部应力约束引起的计算代价. 采用拉格朗日乘子法将应力约束函数引入到目标函数,然后由二分法确定合适的拉格朗日乘子的值使得应力约束得到满足. 而且,详细推导了基于BESO方法的应力约束拓扑优化模型及其灵敏度列式,最后通过三个典型拓扑优化算例验证改进方法的有效性. 为展示考虑应力约束的优点,将应力约束设计与传统的基于刚度的设计进行了比较. 结果表明, 改进的BESO方法优化迭代过程稳健,获得了边界灰度单元很少的清晰的拓扑构型,并实现了有效降低应力集中效应的设计.      

遗传递增演化算法配筋优化设计

递增演化结构算法(AESO)是在初始结构上,逐步增加有效材料,进而得到优化拓扑形状,其运算速度快,但容易陷入局部最优解。为提高寻找全局最优解的能力,把递增演化结构算法(AESO)和遗传算法(GA)相结合,提出遗传递增演化算法(GAESO),在增加有效材料的选择性上引入生物进化遗传理论,并以ANSYS有限元分析软件的非线性分析为平台,采用钢筋混凝土分离式模型,探讨遗传递增演化算法(GAESO)在钢筋混凝土复杂应力构件配筋优化设计上的应用,直观地完成在荷载作用和应力约束条件下简支深梁、简支开洞深梁和开洞剪力墙等钢筋混凝土复杂应力构件的配筋优化设计,所得结果符合受力机理,演化方向正确,钢筋布置明确,与遗传演化优化算法(GESO)所得结果进行比较验证,证实了算法的可行性、速敛性和稳定性,能为钢筋混凝土配筋优化设计提供参考。     

基于单元密度进化步长控制的双向渐进结构优化方法

在渐进结构优化方法中,单元密度的进化步长是获得全局最优解的关键因素之一。为了提高渐进结构优化方法的全局寻优能力,提出一种基于单元密度进化步长控制的双向渐进结构优化方法。该方法根据各单元对结构性能影响的权重系数,建立单元密度进化步长的控制模型以控制主/次要单元的删除速率和添加速率,减小灵敏度误差并抑制灰度单元的产生。在控制单元密度进化步长的基础上结合双向渐进结构优化方法中添加单元的特点,以避免由于误删单元导致优化失败。同时,采用灵敏度再分配技术抑制棋盘格式以获得更平滑的优化构形。最后,通过两个算例验证了本文方法能有效地通过控制单元密度进化步长提高全局寻优能力。     

Benchmark case studies in structural design optimization using the force method

A structural optimization algorithm is developed for truss and beam structures under stress–displacement or frequency constraints. The algorithm combines the mathematical programming based on the Sequential Quadratic Programming (SQP) technique and the finite element technique based on the Integrated Force Method. A new approach based on the single value decomposition technique has been developed to derive the compatibility matrix required in the force method. Benchmark case studies illustrate the procedure and allow the results obtained to be compared with those reported in the literature. It is shown that the computational effort required by the force method is significantly lower than that of the displacement method and in some cases such as structural optimization problems with multiple frequency constraints, the analysis procedure (force or displacement method) significantly affects the final optimum design and the structural optimization based on the force method may result in a lighter design.     

基于双向渐进结构优化法的“破损-安全”结构轻量化设计

“破损-安全”(fail-safe)设计通过冗余载荷路径设计提升结构的损伤容限(残余承载能力),是保障飞行器结构安全性的重要设计环节；然而，冗余结构形式不可避免地导致重量增加、效率降低，严重制约飞行器结构性能的进一步提升.论文基于双向渐进结构优化法(Bi-directional Evolutionary Structural Optimization),提出了一种“破损-安全”结构轻量化设计方法.具体地，设计方法采用“0/1”离散拓扑变量，以结构重量(材料用量)最小化作为优化目标，同时对局部破损结构的承载形变进行约束(低于安全阈值).针对渐进结构优化法难处理多设计约束的瓶颈，采用p范数法对局部破损结构的最大承载形变进行凝聚，并通过拉格朗日乘子将其耦合至优化目标函数，实现结构轻量化与“破损-安全”的同步设计.进一步地，并依据最大残余承载形变对局部区域破损之于“破损-安全”的影响程度进行判定，通过免除低影响局部破损区域的残余承载形变分析与约束，大幅度地提升了优化设计效率.通过系列基准测试算例，验证了论文“破损-安全”设计方法的有效性及高效性.     

基于可靠性约束的结构优化设计技术研究

建立结构重量最小化、可靠度为约束的优化模型。将结构近似为串联可靠度模型，每个元件作为一失效单元；由应力状况建立元件的失效函数。采用一次二阶矩法求解元件的可靠性指标；用元件失效概率的和来表示结构失效概率；将结构失效概率的允许值平分给元件，建立设计变量的显示迭代式，并用满可靠度法进行修正，获得最终设计结果。在开展结构静强度优化设计的同时，对元件在线弹性范围内的屈曲可靠性优化设计问题做了初步的研究。桁架结构和机翼盒段结构的可靠性优化结果表明，与现有方法相比，本文提出的方法在具有较高精度的同时，极大地提高了优化设计的效率。     

轻型飞机机翼气动/结构协同优化研究

探讨用协同优化方法能否有效地解决机翼气动／结构一体化设计优化问题。首先对基本的协同优化和基于响应面协同优化两种方法的特点进行了探讨,然后以轻型飞机机翼气动／结构一体化设计为例,着重研究如何用协同优化方法建立机翼气动／结构一体化设计的优化模型。研究结果表明,基本的协同优化算法不能有效地解决该机翼气动／结构一体化优化问题,而基于响应面的协同优化方法在求解这一问题时具有较好的鲁棒性。