連續(xù)體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)漸進(jìn)優(yōu)化法研究.pdf

1、近年來(lái)，連續(xù)體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。優(yōu)化工作者需要有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)、力學(xué)基礎(chǔ)以及較高的計(jì)算機(jī)水平，這些因素使結(jié)構(gòu)優(yōu)化推廣到實(shí)際應(yīng)用中有一定難度。尋求簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化方法一直是優(yōu)化工作者追求的目標(biāo)。1993年，Xie和Steven提出了漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（ESO），即根據(jù)一定的優(yōu)化準(zhǔn)則，將無(wú)效或低效的材料逐步刪除，從而使結(jié)構(gòu)逐漸趨于優(yōu)化。這種優(yōu)化方法的重要的特征就是很容易理解優(yōu)化思想，并且很容易學(xué)習(xí)。由于該方法非常簡(jiǎn)單，一

2、般直接以重量為優(yōu)化目標(biāo)，算法通用性好，優(yōu)化效率高，能夠處理大型問(wèn)題，容易與有限元程序結(jié)合，所以，自提出后便得到了眾多學(xué)者的青睞，得到了廣泛的發(fā)展。本文主要研究了基于漸進(jìn)優(yōu)化法的連續(xù)體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。具體研究?jī)?nèi)容如下： 1、探討了多約束漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。針對(duì)應(yīng)力和剛度雙重約束的漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，本文從有限元理論和材料的彈性力學(xué)關(guān)系出發(fā)，充分分析了應(yīng)力和剛度約束之間的本質(zhì)關(guān)系：應(yīng)力約束和剛度約束均與結(jié)構(gòu)的彈性矩陣、應(yīng)變矩陣和單元位移

3、有關(guān)。彈性矩陣僅與材料的彈性模量和泊松比 有關(guān)，對(duì)于某種具體的各向同性材料，彈性模量和泊松比是相同。對(duì)某個(gè)具體的單元，單元的應(yīng)變就是單元位移的偏導(dǎo)。因此，對(duì)于各向同性材料這些因素均與應(yīng)變有關(guān)，所以，基于應(yīng)力和剛度漸進(jìn)優(yōu)化只需要考慮單元應(yīng)變即可，該方法簡(jiǎn)化了多約束優(yōu)化，同時(shí)也給多約束優(yōu)化提供了一種新的考慮方向。 2、提出了實(shí)現(xiàn)雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化新方法。雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為漸進(jìn)優(yōu)化法的重要發(fā)展，提高了優(yōu)化效率，改善了優(yōu)化效果。文中研究

4、了將應(yīng)用廣泛的成熟ANSYS軟件的單元生死技術(shù)引入到雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，利用“殺死”單元和“激活”單元技術(shù)模擬單元的刪除和增加，在殺死低效能單元的同時(shí)，在高效單元周圍增加單元。該方法利用現(xiàn)有的資源，成熟的技術(shù)，有效地實(shí)現(xiàn)雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由于采用已有的成熟技術(shù)，則有利于該方法的推廣。 3、探討了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的提取以及CAD模型的建立。結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)優(yōu)是優(yōu)化設(shè)計(jì)的初始階段，化結(jié)果必須轉(zhuǎn)換為CAD模型才能進(jìn)行后續(xù)的形狀和尺寸優(yōu)化。所以，

5、拓?fù)浣Y(jié)果的提取是一個(gè)非常值得研究的問(wèn)題。文中通過(guò)人工干預(yù)的方式提取優(yōu)化模型有限個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。利用該方法可以在不影響拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)提取結(jié)果的情況下大大減少計(jì)算量，同時(shí)可以將結(jié)構(gòu)中一些對(duì)結(jié)構(gòu)影響細(xì)微的部分進(jìn)行刪除，以便得到規(guī)則、易于加工制造的優(yōu)化模型。將優(yōu)化結(jié)果的邊界節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中，通過(guò)樣條曲線擬合建立二維平面圖形，亦可建立三維模型，為后續(xù)優(yōu)化做好準(zhǔn)備。 4、拓?fù)鋬?yōu)化原型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。針對(duì)上述研究?jī)?nèi)容，為了使操作方便以及使對(duì)優(yōu)化

6、原理不非常了解的設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用ANSYS、VB、UG等軟件開(kāi)發(fā)了漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化功能的集成。根據(jù)優(yōu)化過(guò)程，系統(tǒng)將優(yōu)化模型建立、ESO優(yōu)化、BESO優(yōu)化和模型后處理4個(gè)步驟集成在同一個(gè)環(huán)境下。 5、應(yīng)用實(shí)例。利用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車碰撞試驗(yàn)中支架的優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程中對(duì)于結(jié)構(gòu)約束采用不同的單元的類型實(shí)現(xiàn)，該類型的單元不管對(duì)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)情況，均保留在優(yōu)化結(jié)果中。實(shí)現(xiàn)了基于雙約束的ESO和BESO