大型起重船臂架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)-研究

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1、天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論這樣臂架在所能達(dá)到的范圍內(nèi)最穩(wěn)定。另外，對(duì)于起重機(jī)臂架頂部橫桿的寬度理論上來講為零最優(yōu)，這樣的臂架結(jié)構(gòu)形式最穩(wěn)定，但是考慮到在吊重過程中，橫向主桿需要安裝一定的滑輪組以起升重物，所以至少要留有安裝滑輪組的空問。因此在優(yōu)化計(jì)算過程中將橫向主桿的長(zhǎng)度作為一個(gè)參變量進(jìn)行優(yōu)化。為了對(duì)臂架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，將橫向輔助桿件與底部的距離作為設(shè)計(jì)變量，當(dāng)桿件之間的距離小于5m時(shí)，程序設(shè)定為減少一根橫向輔助桿件以及兩桿之間的斜拉桿。并且，當(dāng)桿件的受力小于105N時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)去除此桿件，以此達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的目的。1．1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的歷史及

2、發(fā)展?fàn)顩r在第二次世界大戰(zhàn)期間．由于軍事上的需要產(chǎn)生了運(yùn)籌學(xué)，出現(xiàn)了許多用古典微分法和變分法所不能解決的最優(yōu)化方法。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，20世紀(jì)50年代在應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展形成了以線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃為主要內(nèi)容的數(shù)學(xué)規(guī)劃理論，應(yīng)用于解決工程設(shè)計(jì)問題，形成了適用于工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法【11。優(yōu)化設(shè)計(jì)理論研究和應(yīng)用實(shí)踐的不斷發(fā)展，使傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法發(fā)生了根本的變革，從經(jīng)驗(yàn)、感性和類比為主的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法過渡到科學(xué)、理性和立足于計(jì)算分析的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，工程設(shè)計(jì)正在逐步向自動(dòng)化、集成化和智能化方向發(fā)展。而目前對(duì)于各交叉學(xué)科的不斷發(fā)展，提出了一種新型的優(yōu)化方法一

3、群體智能優(yōu)化方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)是從20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的，將最優(yōu)化原理與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)在機(jī)械、宇航、電機(jī)、石油、化工、建筑、造船、輕工等各個(gè)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，獲得顯著的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)化設(shè)計(jì)本身存在的問題和某些發(fā)展趨勢(shì)【2】主要有以下幾方面：1)目前優(yōu)化設(shè)計(jì)多數(shù)還局限在解決參數(shù)最優(yōu)化這～類數(shù)值量?jī)?yōu)化問題。非數(shù)值量?jī)?yōu)化問題(如結(jié)構(gòu)型式的選擇，即拓?fù)鋬?yōu)化)還需進(jìn)一步研究解決。參數(shù)優(yōu)化方法最典型的應(yīng)用范圍是直徑、長(zhǎng)度等尺寸的優(yōu)化。在事先確定改變?nèi)舾删植拷Y(jié)構(gòu)形式的條件下進(jìn)行尺寸優(yōu)化，也可采用參數(shù)優(yōu)化方法，但由于局部結(jié)構(gòu)形式的改變使數(shù)學(xué)模

4、型產(chǎn)生間斷和跳躍，會(huì)給優(yōu)化帶來一定困難，因此會(huì)受到一定的限制。結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化，如用實(shí)腹結(jié)構(gòu)代替桁架結(jié)構(gòu)，一般很難采用參數(shù)優(yōu)化方法，只是在特殊情況下分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，然后再根據(jù)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)選。2)優(yōu)化設(shè)計(jì)這門新技術(shù)在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中普及率還比較低。主要原因是：優(yōu)化2天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論方法比較復(fù)雜，入門需要較長(zhǎng)的時(shí)間；方法應(yīng)用起來比較困難，自動(dòng)優(yōu)化常常受阻：對(duì)每一個(gè)新的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，均需重新編制優(yōu)化程序，工作量很大。因此要大力加強(qiáng)實(shí)用性優(yōu)化軟件的開發(fā)。3)從理論上講，優(yōu)化設(shè)計(jì)希望能找到全局最優(yōu)方案，至少也是一個(gè)局部最優(yōu)的方案。由于

5、工程實(shí)際問題的復(fù)雜性，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的性態(tài)均比較復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)不是花費(fèi)大量的時(shí)間，就是無法達(dá)到。因此在實(shí)用上人們已經(jīng)把優(yōu)化的目標(biāo)擴(kuò)大，并根據(jù)不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，考慮不同的優(yōu)化目標(biāo)。如果優(yōu)化數(shù)學(xué)模型比較簡(jiǎn)單或者雖然較復(fù)雜，但函數(shù)性態(tài)較好，這時(shí)我們可以去追求局部最優(yōu)乃至全局最優(yōu)這樣的目標(biāo)。否則，只要能找到一個(gè)比原來較優(yōu)的方案，或者能達(dá)到一定功能要求的方案即可。所以優(yōu)化目標(biāo)可以是以下三種(1)尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；(2)尋找在一定程度上得到改善的方案；(3)尋找滿足產(chǎn)品功能要求的方案。4)把優(yōu)化設(shè)計(jì)與CAD、專家系統(tǒng)結(jié)合起來是優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)之一。如圖1．1表

6、示優(yōu)化、專家系統(tǒng)和CAD三者結(jié)合時(shí)的相互作用關(guān)系。專家系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的具體情況，可以通過知識(shí)庫去選擇合適的參數(shù)優(yōu)化方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)化程序的控制。優(yōu)化方法選定之后，通過優(yōu)化程序與CAD系統(tǒng)的結(jié)合即可進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化結(jié)果可由圖形顯示。如果經(jīng)專家系統(tǒng)評(píng)價(jià)，該優(yōu)化設(shè)計(jì)問題不宜采用參數(shù)優(yōu)化方法，專家系統(tǒng)也可直接通過知識(shí)庫去定設(shè)計(jì)方案的幾何尺寸，并通過CAD系統(tǒng)計(jì)算后顯示圖形。專家系統(tǒng)L用矩識(shí)鏖塑一JCAD系統(tǒng)利用知識(shí)層控制優(yōu)化方案的化定義圖1-1專家系統(tǒng)、CAD系統(tǒng)和優(yōu)化程序之間的相互作用關(guān)系天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論1．2拓?fù)鋬?yōu)化的原理及發(fā)展前景通常把結(jié)構(gòu)優(yōu)

7、化按設(shè)計(jì)變量的類型劃分成三個(gè)層次：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化已得到充分的發(fā)展，但它們存在著不能變更結(jié)構(gòu)拓?fù)涞娜毕?。在這樣的背景下，人們開始研究拓?fù)鋬?yōu)化。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化p】是近20年來從結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中派生出來的新分支，它在計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)中已經(jīng)被認(rèn)為是最富挑戰(zhàn)性的一類研究工作。目前有關(guān)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的工程應(yīng)用研究還很不成熟，在國(guó)外處在發(fā)展的初期，尤其在國(guó)內(nèi)尚屬于起步階段?！?fù)鋬?yōu)化的基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料的分布問題。尋求一個(gè)最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式有兩種基本的原理：一種是退化原理，另一種是進(jìn)化原理。退化原

8、理的基本思想是在優(yōu)化前將