結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法簡介

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1、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法簡介1.簡單解法當(dāng)優(yōu)化問題的變量較少時，可用下列簡單解法。(1)圖解法。在設(shè)計空間中作出可行域和目標(biāo)函數(shù)等值面，再從圖形上找出既在可行域內(nèi)(或其邊界內(nèi))，又使目標(biāo)函數(shù)值最小的設(shè)計點的位置。(2)解析法。當(dāng)問題比較簡單時，可用解析法求解。2.準(zhǔn)則法準(zhǔn)則法是從工程和力學(xué)觀點出發(fā)，提出結(jié)構(gòu)達(dá)到優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)滿足的某些準(zhǔn)則(如同步失效準(zhǔn)則、滿應(yīng)力準(zhǔn)則、能量準(zhǔn)則等)，然后用迭代的方法求出滿足這些準(zhǔn)則的解。該方法的主要特點是收斂快，重分析次數(shù)與設(shè)計變量數(shù)目無直接關(guān)系，計算量不大，但適用有局限性，主要適用于結(jié)構(gòu)布局及幾何形狀已定

2、的情況。盡管準(zhǔn)則法有它的缺點，但從工程應(yīng)用的角度來看，它比較方便，習(xí)慣上易于接受，優(yōu)點仍是主要的。最簡單的準(zhǔn)則法有同步失效準(zhǔn)則法和滿應(yīng)力準(zhǔn)則法。(1)同步失效準(zhǔn)則法。其基本思想可概括為：在荷載作用下，能使所有可能發(fā)生的破壞模式同時實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。同步失效準(zhǔn)則設(shè)計有許多明顯的缺點。由于要用解析表達(dá)式進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，同步失效設(shè)計只能用來處理非常簡單的元件優(yōu)化；當(dāng)約束數(shù)大于設(shè)計變量數(shù)時，必須設(shè)法確定那些破壞模式應(yīng)當(dāng)同時發(fā)生才給出最優(yōu)設(shè)計，這通常是一］牛十分困難的工作；當(dāng)約束數(shù)和設(shè)計變量數(shù)相等時，并不能保證這樣求得的解是最優(yōu)解。(

3、2)滿應(yīng)力準(zhǔn)則法。該法認(rèn)為充分發(fā)揮材料強(qiáng)度的潛力，可以算是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個標(biāo)志，以桿件滿應(yīng)力作為優(yōu)化設(shè)計的準(zhǔn)則。這一方法在桿件系統(tǒng)如桁架的優(yōu)化設(shè)計中用得較多。在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了與射線步結(jié)合的齒行法以及框架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的滿應(yīng)力設(shè)計。3.數(shù)學(xué)規(guī)劃法將結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題歸納為一個數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，然后用數(shù)學(xué)規(guī)劃法來求解。結(jié)構(gòu)優(yōu)化中常用的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法是非線性規(guī)劃有時也用線注規(guī)劃特殊情況可能用到動態(tài)規(guī)劃、幾何規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃或隨機(jī)規(guī)劃等。（1）線性規(guī)劃。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)和約束方程都是設(shè)計變量的線性函數(shù)時，稱為線性規(guī)劃問題。該類問題的解法比較成熟，其中常用的解法

4、是單純形法。（2）非線注規(guī)劃。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)或約束方程為設(shè)計變量的非線性函數(shù)時，稱為非線性規(guī)劃。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計多為有約束的非線性規(guī)劃問題。這類問題較線性規(guī)劃問題復(fù)雜得多，難度較大，目前采用的方法大致有以下幾種類型：不作轉(zhuǎn)換但需求導(dǎo)數(shù)的分析方法，如梯度投影法、可行方向法等；不作轉(zhuǎn)換也不需求導(dǎo)數(shù)的直接搜索方法，如復(fù)形法；采用線性規(guī)劃來逐次逼近，如序列線性規(guī)劃法；轉(zhuǎn)換為無約束極值問題求解，如罰函數(shù)法、乘子法等。3.混合法混合法即同時采用準(zhǔn)則法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法。4.啟發(fā)式算法近些年來發(fā)展起來了一些啟發(fā)式算法。這些算法有遺傳算法（GA）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算

5、法、模擬退火算法等。它們在結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域得到了一些應(yīng)用。如文獻(xiàn)［4］將遺傳算法用于門式剛架的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的目的晴也下雨發(fā)布于2012-05-22瀏覽715人次為什么要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化？1）結(jié)構(gòu)成本（鋼筋、混凝土、砌體等材料費(fèi)）約占主體造價的50%以上，結(jié)構(gòu)優(yōu)化可使建筑工程總造價降低10%?35%。這筆隱形的利潤總額非常巨大，基本無風(fēng)險，可以通過微小的優(yōu)化投入輕松獲得，這對于減少企業(yè)投資、增加企業(yè)利潤、提高資金周轉(zhuǎn)率等都有幫助，具有巨大的經(jīng)濟(jì)］介值。2）現(xiàn)階段的設(shè)計單位水平參差不齊，由于設(shè)計質(zhì)量差導(dǎo)致的損失和浪費(fèi)比較嚴(yán)重，需

6、要專業(yè)人員優(yōu)化把關(guān)。一方面，許多設(shè)計單位成本意識薄弱，忽視對工程造價的控制，一味放大安全系數(shù)，導(dǎo)致設(shè)計偏保守。另一方面，不少設(shè)計人員缺乏責(zé)任心，設(shè)計概念不清，只用電腦，不用大腦，經(jīng)常計算錯誤，專業(yè)負(fù)責(zé)人又沒時間看圖，導(dǎo)致設(shè)計存在安全隱患。此外，設(shè)計人員受經(jīng)驗和眼界限制，往往不能站在甲方的角度考慮問題，設(shè)計出來的產(chǎn)品缺乏對客戶的關(guān)懷，經(jīng)常引起客戶投訴。據(jù)統(tǒng)計，在工程質(zhì)量事故的眾多原因中，設(shè)計責(zé)任占40.1%,居第一位。由于設(shè)計質(zhì)量差導(dǎo)致的功能布置不合理、專業(yè)之間相互矛盾，施工停工、返工的現(xiàn)象比比皆是，還有的造成質(zhì)量缺陷和安全隱患，

7、給甲方帶來了巨大損失，造成投資的極大浪費(fèi)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以幫助甲方提高設(shè)計質(zhì)量，消除潛在質(zhì)量缺陷，P對氏工程風(fēng)險，提高建筑品質(zhì)，減少投資浪費(fèi)。3）設(shè)計單位并不能幫助房地產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行成本控制。一方面，設(shè)計院缺乏主動控制成本的意識和動力。另一方面，大部分設(shè)計師任務(wù)重、時間緊，沒有時間和能力逬行設(shè)計優(yōu)化。4）隨著企業(yè)發(fā)展壯大，甲方的管理范圍和復(fù)雜度不斷増大，將設(shè)計優(yōu)化等非核心業(yè)務(wù)交給專業(yè)的人員去做，是提高企業(yè)效率、節(jié)約管理成本、建立高效團(tuán)隊、提高企業(yè)核心競爭力的形勢需要。5）隨著國家宏觀調(diào)控力度的加大和原材料價格的上漲，通過銷售獲得利潤的空

8、間壓縮，從內(nèi)部挖掘潛力、節(jié)約成本成為企業(yè)贏利的重要手段。一些先知的企業(yè)，如萬科、金地等，已經(jīng)開始力呔對設(shè)計優(yōu)化的投入。一些國際著名公司，如豐田，更是成本控制的榜樣?？茖W(xué)合理的節(jié)約成本是提高企業(yè)盈利能力、實現(xiàn)地產(chǎn)公司健康生存、長期發(fā)展的重要途徑。6）設(shè)計優(yōu)化有利于