結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化啟發(fā)式算法的研究.pdf

1、隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對工程結(jié)構(gòu)提出了更高的使用要求，如何在滿足約束的基礎(chǔ)上更好地對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，一直是工程界不斷努力追求的目標。結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化是一種非常優(yōu)秀的設計方法，它是通過設計結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲構(gòu)型而獲得創(chuàng)新結(jié)構(gòu)構(gòu)型，在實際工程中得到了越來越廣泛的應用。
　　啟發(fā)式優(yōu)化算法的設計與應用是結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化領(lǐng)域中一項很有意義的研究。啟發(fā)式算法的設計思路通常是建立在簡單而直觀的概念基礎(chǔ)上，其中的一些概念是由所謂的自然界的智慧所促使

2、，比如遺傳算法采用了自然界優(yōu)勝劣汰的進化原理，模擬退火算法則源于對退火過程的模擬。這類算法難以用解析的方法進行研究，因此缺少嚴格的數(shù)學證明。但是，其對優(yōu)化目標函數(shù)的數(shù)學性質(zhì)（例如連續(xù)性，可導性，線性或非線性）往往沒有過高的要求，因此特別適合于常規(guī)方法不易求解的復雜優(yōu)化問題。在眾多學者的不懈努力下，這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了很大進展，并在工程領(lǐng)域中得到了廣泛應用。
　　本論文對結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化啟發(fā)式算法進行研究，內(nèi)容涉及桁架結(jié)構(gòu)與連續(xù)結(jié)構(gòu)

3、、確定性優(yōu)化方法與隨機性優(yōu)化方法、靜力學優(yōu)化與動力學優(yōu)化、以及聯(lián)系工程實際的優(yōu)化手段。本文研究得到了國家自然科學基金（編號：11072146,10772112,11002087）、教育部博士點基金（編號：20070248032）、上海市教委科研重點項目（編號：09ZZ17）和海洋工程國家重點實驗室自主研究課題（編號：GKZD010807）的資助，主要研究內(nèi)容和成果總結(jié)如下：
　　(1)較為全面地綜述了結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的研究進展。介紹了

4、結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的建模、求解方法和存在的數(shù)值問題及其解決途徑。
　　(2)研究了遺傳算法的原理。使用罰函數(shù)把結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中的有約束極值問題轉(zhuǎn)換成遺傳算法能求解的無約束極值問題。使用遺傳算法求解了桁架結(jié)構(gòu)在靜力學約束和動力學約束下的拓撲優(yōu)化問題。
　　(3)分別針對桁架結(jié)構(gòu)和連續(xù)結(jié)構(gòu)，設計了在靜力學應力約束下的啟發(fā)式生長進化算法。優(yōu)化計算從簡單設計區(qū)域開始，在迭代過程中同時考慮單元的刪除和添加，在應力高的單元周圍生長出新單元，同時

5、刪除應力值較低的單元，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自生長和自進化。
　　(4)利用基結(jié)構(gòu)，設計了靜力學約束下連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的快速進化算法及其改進方法，通過比較相鄰兩次迭代過程中結(jié)構(gòu)各單元的性能指標，并采用擾動技術(shù)，計算出下一迭代步中的優(yōu)化變量值。
　　(5)為了解決復雜結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計中的建模及求解問題，設計了ANSYS接口，采用動態(tài)數(shù)組在MATLAB和ANSYS間傳遞數(shù)據(jù)。對空間結(jié)構(gòu)進行了計算，得到了較好的結(jié)果。研究了平滑處理技術(shù)，