纸拱桥结构模型优化建模分析——大学生结构设计竞赛谈

以大学生结构设计竞赛为背景,以纸拱桥结构模型为分析实例,引导大学生讨论如何运用数学规划思想来进行结构优化分析,培养大学生的学习主动性和创造性．通过对拟定的结构竞赛规则下的结构进行受力定性分析,建立了纸拱结构寻优的数学规划模型,以拱桥质量最轻为目标函数,结构在特定荷载作用和材料特性条件下,满足材料强度极限值和稳定性要求作为约束条件,分析求解纸拱结构模型的拱轴线,截面形状与尺寸相关的等决策变量的最优解．求解得到了拱轴线函数的解析解特例,并采用简单迭代运算求解了拱截面尺寸的最优解．     

基于物理的变形曲线在结构形状优化中的应用

用各向异性模型定义NURBS曲线的变形能,基于所提出的变形能模型,用有限元法对NURBS曲线表达的设计边界进行模态计算,然后,将设计边界用模态向量的线性组合参数化表示。将这种基于边界特征向量的几何形状表示方法应用于优化参数定义．提出了一种适用于结构形状优化的自适应几何精化方法,它有效地将户型有限元分析、优化方法和设计边界的形状表达集成在一起。     

基于拓展多尺度有限元的点阵材料结构最小柔顺性设计

本文应用拓展的多尺度有限元法（Extended Multiscale Finite Element Method),以微观构件的截面积为设计变量,研究了体积约束下点阵材料构成结构的最小柔顺性设计问题。建立了适应具有复杂几何形状和载荷边界的点阵材料结构的优化模型,应用序列二次规划算法对悬臂梁和L形梁算例在线性边界条件和周期性边界条件下进行了优化设计,讨论了点阵材料微结构尺寸效应对优化结果的影响,验证了优化模型和求解算法的可靠性,为点阵材料应用于复杂实际工程结构的优化设计提供了新的技术手段。     

形状优化数值方法与自适应运动极限

本文对结构形状优化问题,结构截面尺寸优化问题和一般数学规划方法作了比较,讨论了一维搜索策略对优化方法的效率和严谨性的影响;根据粗糙一维搜索思想,构造了带自适应运动极限的序列线性规划法,用来解平面应力(应变)结构形状优化问题中出现的极小-极大问题,作了数值比较。附录给出了灵敏度计算公式。     

桁架结构非概率可靠性形状优化设计

采用区间变量描述不确定参数,提出一种桁架结构非概率可靠性形状优化方法。建立了以截面尺寸和节点坐标为设计变量,以结构重量为目标函数,具有非概率可靠性指标约束的桁架结构形状优化数学模型。采用量纲归一化对截面尺寸和节点坐标进行了变量统一;运用均值点法对功能函数进行泰勒线性近似求解得到相应的非概率可靠性指标,并采用序列二次规划算法对优化模型进行求解。三个算例分析结果表明,算例均能快速稳定地收敛到最优解,结果符合工程结构设计经验,验证了本文所提方法的准确性和有效性。     

互逆规划的拓宽和深化及其在结构拓扑优化的应用

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.      

基于优化模型的结构声学耦合界面载荷传递算法

针对结构声学耦合系统的界面载荷传递问题,提出了一种基于约束最优化模型的局部参数插值算法。耦合界面处结构和流体单元表面坐标通过各自的形状函数进行插值,把界面载荷在互不匹配的网格节点间的传递问题转化为一个点到用自然坐标表示的有限边界曲面的最小距离问题,以便利用成熟稳定的优化算法对其进行高效求解。与已有方法相比,该算法在耦合界面单元为曲面的情况下仍能保持较高的计算精度。本文给出的数值算例验证了本算法的有效性和可靠性。     

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.     

离散变量结构优化设计的连续化方法

把离散变量结构优化设计问题转化为一般的0-1规划问题,进一步把该问题转化为一个带有互补约束的优化问题,利用NCP函数,最终得到待以求解的连续优化问题。离散优化到基于NCP函数的连续优化变换在理论上是等价的,可以利用普通的数学规划方法实施求解。数值算例的计算结果验证了该连续化方法的可行性与有效性。     

数学规划加权残值法在非线性微分方程中的应用

本文研究数学规划加权残值法在非线性微分方程求解中的应用,利用数学规划加权残值法和ＬＰ模理论,把非线性微分方程边值问题转化为一个可微分的无约束非线性优化问题,从而运用成熟稳定的寻优方法求得问题的解。文中数字计算例子表明本文方法可以快速有效地求解非线性微分方程。     

Optimum shape and topology design using the boundary element method

A procedure is developed for simultaneous shape and topology design optimization of linear elastic two-dimensional continuum structures. An intuitive approach is presented to treat such topological problems whereby material is eliminated from within the structure (by introducing holes at regions of low stress) through a sequence of shape optimization processes. A mathematical programming technique coupled with the boundary element (BE) method of response and sensitivity analyses enables the optimal positioning of these holes plus optimization of the overall structural shape. The analytical derivative BE formulation is explained together with the use of appropriate design velocity fields, and example problems are solved to demonstrate the optimization procedure.     

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．     

A structural shape optimization system using the two-dimensional boundary contour method

Summary The research recently conducted has demonstrated that the Boundary Contour Method (BCM) is very competitive with the Boundary Element Method (BEM) in linear elasticity Design Sensitivity Analysis (DSA). Design Sensitivity Coefficients (DSCs), required by numerical optimization methods, can be efficiently and accurately obtained by two different approaches using the two-dimensional (2-D) BCM as presented in Refs. [1] and [2]. These approaches originate from the Boundary Integral Equation (BIE). As discussed in [2], the DSCs given by both BIE-based DSA approaches are identical, and thus the users can choose either of them in their applications. In order to show the advantages of this class of DSA in structural shape optimization, an efficient system is developed in which the BCM as well as a BIE-based DSA approach are coupled with a mathematical programming algorithm to solve optimal shape design problems. Numerical examples are presented. Received 20 July 1998; accepted for publication 7 December 1998     

基于响应面法的五心底结构形状优化

三心底结构是国防、航空及航天等领域经常采用的结构,其旋转母线是由三段弧线组成的,对应着三个圆心,故得名三心底。三心底结构可调整的参数变量少,优化潜力小。根据三心底的形状推广出五心底结构,增加可调整的参数变量,然后对其进行优化。将响应面方法与模型参数化相结合,建立了以结构重量为目标及以结构强度为约束的形状优化模型。根据结...     

基于Kriging代理模型的结构形状优化方法研究

建立了一种进行结构形状优化的工程方法。该方法利用试验设计法选取位置变量样本点,并对各个样本点对应的结构进行尺寸优化,然后根据样本点和尺寸优化结果建立Kriging代理模型,再利用遗传算法求出位置变量最优解,进而得到结构最优解。最后进行了15杆平面拱式桁架、悬臂梁和25杆空间桁架三个形状优化算例,算例分析结果表明:该方法思路清晰、适应性强、优化效果明显,具有较大的工程应用价值。     

Shape optimization of two equal holes in an infinite elastic plate

Abstract

The optimal design of the stress state in elastic plate structures with openings is a problem of great significance in engineering practice. Achieving proper shape of hole can reduce stress concentration around the boundaries remarkably. The optimal shape of a single hole in an infinite plate under uniform stresses has been obtained by complex variable method based on different optimal criteria. The complex variable method is particularly suitable for the hole shape optimization in infinite plate, in which the continuous hole boundary can be represented by the mapping function. It can also be used to solve the shape optimization problems of two or more holes. However, because of the difficulty of finding the mapping function for multi connected domain, the holes are mapped onto slits or separately mapped onto a circle. In this article, the two symmetrical and identical holes are mapped onto an annulus simultaneously by the newly found mapping function, which has a general form. The maximum tangential stress around the boundaries is minimized to achieve the optimal hole shape. And the coefficients of mapping function which describe the boundary are calculated by differential-evolution algorithm.     

Sampling-Based RBDO of Ship Hull Structures Considering Thermo-Elasto-Plastic Residual Deformation

We present a shape optimization method using a sampling-based RBDO method linked with a commercial finite element analysis (FEA) code ANSYS, which is applicable to residual deformation problems of the ship hull structure in welding process. The programming language ANSYS Parametric Design Language (APDL) and shell elements are used for the thermo-elasto-plastic analysis. The shape of the ship hull structure is modeled using the bicubic Ferguson patch and coordinate components of vertices, tangential vectors of boundary curves are selected as design variables. The sensitivity of probabilistic constraint is calculated from the probabilistic sensitivity analysis using the score function and Monte Carlo Simulation (MCS) on the surrogate model constructed by using the Dynamic Kriging (DKG) method. The sequential quadratic programming (SQP) algorithm is used for the optimization. In two numerical examples, the suggested optimization method is applied to practical residual deformation problems in welding ship hull structures, which proves the sampling-based RBDO can be successfully utilized for obtaining a reliable optimum design in highly nonlinear multi-physics problem of thermo-elasto-plasticity.     

含缺陷结构的塑性极限分析

结合极限分析中的数学规划理论和有限元技术,提出了三维含结构极限分析的数学规划方法,并采用罚函数法引入塑性不可压条件,对于考虑多组独立变化载荷作用的情况,提出了加载路径射线辐射求解方案,并基于这种射线射状的加载路径,推导了多组载荷联合作用下结构塑性极限上限分析的数学规划格式,编制了相应的有限元程序,文中的数值了该方法的正确性与有效性。     

采用新型损伤指示因子和结构优化方法的单元损伤识别

在一种新型的损伤指示因子的基础上,采用最小二乘法建立损伤识别问题的优化模型,通过模态综合方法计算结构模态的灵敏度,采用半解析法计算指示因子对损伤参数的灵敏度,最终由序列线性规划方法求解优化问题。数值算例验证了本文方法的可行性。