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《離散變量結構拓撲優(yōu)化的遺傳禁忌搜索算法-研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在教育資源-天天文庫。
1、第l章緒論1．1結構優(yōu)化概述從廣義上說，優(yōu)化就是從完成某一任務的所有可能方案中按某種標準找出屜好的方案。對各種問題只要存在不同的解決方法，就可以進行優(yōu)化【11。優(yōu)化技術是一種醴數(shù)學為基礎，用于求解各種工程問題優(yōu)化解的應用技術，它作為一個重要的科學分支一直受到人們的廣泛重視。優(yōu)化方法的理論研究對改進算法性能、完善算法體系、拓寬算法的應用領域、提高算法在工程實際中的應用能力具有重要作用。因此，優(yōu)化理論與算法的研究是個同時具有理論意義和應用價值的重要課題吐結構優(yōu)化設計就是指設計者根據(jù)設計要求，在滿足各種規(guī)
2、范要求和某些特定條件下，在所有可能的結構方案中，利用數(shù)學手段、力學知識和計算機技術計算出若干個設計方案，從中選擇一個域好的方案，該設計方案不僅是可行的而且是最優(yōu)的【1r3一。i傳統(tǒng)的結構設計，按照假設一分析～校核-_重新設計這樣一個重復試算(缸a1。and．error)的過程，其以尋找滿足結構設計要求的一個“可行解”為目標f“，只是做到了“分析結構”，沒有優(yōu)化理論，要求人們根據(jù)經(jīng)驗和通過判斷去創(chuàng)造設計方案。在某種意義上可以說是一種藝術【6]；而結構優(yōu)化設計則是“結構綜合”，廣義上說包括選擇結構形式、
3、外形尺寸、所用材料、截面型式和尺寸以及支座設置等等，它要求綜合各方而的因素、要求、約束條件等等，從而產(chǎn)生一種理想的設計，故優(yōu)化設計才是科學∞】。結構優(yōu)化設計是一門綜合學科，它的發(fā)展是計算力學、數(shù)學規(guī)劃、計算機科學以及其他工程學科相互交叉的結果，是現(xiàn)代結構設計領域的重要研究方向，為人們長期所追求最優(yōu)的工程結構設計尤其是新型結構設計提供了先進的工具，成為近代設計方法的重要內容之一。LA．schmit于1960年首先引入數(shù)學規(guī)劃理論解決結構優(yōu)化設計問題，這一全新的結構優(yōu)化的基本思想很快受到了許多學者尤其是
4、結構設計工程師的關注并開展丁廣泛深入的研究，結構優(yōu)化設計由此成為一門獨立的學科。在過去的40余年里，結構優(yōu)化不僅在理論和算法方面取得了長足北京工業(yè)大學工學碩士學位論文的發(fā)展，而且隨著有限元理論的不斷成熟和計算機的廣泛應用，結構優(yōu)化設計的應用領域也從航空航天擴展到船舶、橋梁、汽車、機械、水利、建筑等更廣泛的工程領域，解決的問題從減輕結構重量擴展到降低應力水平、改進結構性能和提高安全壽命等更多方面。結構優(yōu)化設計，按設計變量性質分為連續(xù)變量優(yōu)化設計和離散變量優(yōu)化設計；按發(fā)展的順序和難易程度分為五個層次[7
5、】：截面(或尺寸)優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、布局優(yōu)化和類型優(yōu)化，級別依次升高，受益依次增加，但由于其難度的依次增大亦決定了其發(fā)展的先后順序。結構尺寸優(yōu)化是在給定了拓撲結構和結構形狀下只進行桿件截面的優(yōu)化，它的設計變量可以是桿件的橫截面積、慣性矩、板的厚度，或是復合材料的分層厚度和材料方向角度等。尺寸優(yōu)化研究重點主要集中在優(yōu)化算法和敏度分析。結構形狀優(yōu)化是在給定的拓撲結構下，對桿件截面和節(jié)點位置進行尋優(yōu)。它的主要特征是，待求的設計變量是所研究問題的控制微分方程的定義區(qū)域，所以是可動邊界問題。它主要研究
6、如何確定結構的邊界形狀或者內部幾何形狀，以改善結構特性。結構拓撲優(yōu)化是在給定的節(jié)點位置下，尋求桿件的最佳配置和桿件的最優(yōu)截面。結構拓撲優(yōu)化除了要進行截面優(yōu)化外，還要確定節(jié)點問桿件的連接方式，并且優(yōu)化過程中結構分析和優(yōu)化模型以及設計空間、可行域都在不斷變化，這些都給求解增加了難度，故拓撲優(yōu)化被公認為結構優(yōu)化中最具挑戰(zhàn)性的課題【_”。結構布局優(yōu)化是將截面、形狀、拓撲這3個層次的優(yōu)化綜合起來，求得最佳的拓撲、形狀和截面面積，它的設計空間的維數(shù)升高，問題的復雜難度也大大提高，當然帶來的受益也最大，這方面所作
7、的工作很少。結構類型優(yōu)化除了需要進行布局優(yōu)化外，還需要對構件的類型進行優(yōu)化。目前，結構尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化的研究相對比較成熟，拓撲優(yōu)化、布局優(yōu)化和類型優(yōu)化的難度較大，研究成果較少。Prager和Rozvany認為，結構布局優(yōu)化是結構力學中最具挑戰(zhàn)性的一類問題[8一，掰rsch[8，10，111也認為拓撲設計問題是結構優(yōu)化任務中最困難的。傳統(tǒng)的結構優(yōu)化設計方法可以分為力學準則法和數(shù)學規(guī)劃法兩大類。60年代以前，結構優(yōu)化設計采用的主要是準則法。它主要是從力學的概念出發(fā)建立一些準則，認為滿足這些準則的可用設
8、計就是最優(yōu)設計或近似最優(yōu)設計。準則法的物2第1章緒論理概念明確，容易為工程設計人員所接受，～般情況程序較簡單，迭代收斂較快，且選代次數(shù)基本上與設計變蹙的數(shù)目無關。但是因為力學準則法是從直觀的概念引導出來的優(yōu)化設計方法，在運算中沒有或接與目標函數(shù)建立關系，所以并不能保_i難使酹標爵毅最小，柱菜黧情況下裔失效的可能，箕準愛l性態(tài)并不是最優(yōu)往態(tài)。虱50年代末，憂純方法中的數(shù)學規(guī)戴方法被蓄次用于結構最優(yōu)化并取褥區(qū)大成功，成為優(yōu)化方法豹褒論驀穡。60年代秘，鴦猥元法靜出瑗秘發(fā)疑
