1、【精品文檔】如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除，僅供學(xué)習(xí)與交流結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的綜述與發(fā)展.精品文檔.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的綜述與發(fā)展摘要：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是在計(jì)算機(jī)技術(shù)等高科技手段的支持下，為了提升機(jī)械產(chǎn)品的性能、工作效率，延長機(jī)械產(chǎn)品的工作壽命，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的尺寸、形狀、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化的過程。這是機(jī)械行業(yè)發(fā)展的必然要求，也是信息時(shí)代的必然要求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須在保證機(jī)械產(chǎn)品滿足工作需要的前提下，通過科學(xué)的計(jì)算來實(shí)行。文章將簡單對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行介紹，列舉幾種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以及討論未來優(yōu)化的發(fā)展情況。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 發(fā)展 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化簡單來說就是在滿足一定的約束

2、條件下，通過改變結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，以達(dá)到節(jié)約原材料或提高結(jié)構(gòu)性能的目的。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)通常是指在給定結(jié)構(gòu)外形，給定結(jié)構(gòu)各元件的材料和相關(guān)載荷及整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、工藝等要求的條件下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體和元件優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一般由設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)三要素組成。評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)優(yōu)、劣的標(biāo)準(zhǔn)，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中稱為目標(biāo)函數(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中以變量形式參與的稱為設(shè)計(jì)變量；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵守的幾何、剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等條件稱為約束條件，而設(shè)計(jì)變量、約束函數(shù)與目標(biāo)函數(shù)一起構(gòu)成了優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是讓設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)利用材料更經(jīng)濟(jì)、受力分布更合理。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)變量選取的不同可以分為截面（尺寸）優(yōu)化、形狀優(yōu)

3、化、拓?fù)鋬?yōu)化三個(gè)層次。尺寸優(yōu)化是選取結(jié)構(gòu)元件的幾何尺寸作為設(shè)計(jì)變量，例如，桿元截面積、板元的厚度等等1。而形狀優(yōu)化是選取結(jié)構(gòu)的內(nèi)部形狀或者是節(jié)點(diǎn)位置作為設(shè)計(jì)變量。拓?fù)鋬?yōu)化就是選取結(jié)構(gòu)元件的有無作為設(shè)計(jì)變量，為0-1型邏輯型設(shè)計(jì)變量。2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究概況與現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)最早可以追溯到17世紀(jì)，伽利略和伯努利對(duì)彎曲梁的研究從而引發(fā)了變截面粱形狀優(yōu)化的問題。后來Maxwell和Michell提出了單載荷僅有應(yīng)力約束條件下最小重量桁架結(jié)構(gòu)布局的基本理論，為系統(tǒng)地分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論作出了重大的貢獻(xiàn)。然而長期以來，由于缺乏高速可靠的計(jì)算手段和理論，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一直無法獲取較大發(fā)展。到上世紀(jì)六十年代，有

4、限元技術(shù)借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，得到了極大的發(fā)展。1960年Schmit在求解多種載荷情況下彈性結(jié)構(gòu)的最小重量問題時(shí)，首次在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中引入入數(shù)學(xué)規(guī)劃理論，并與有限元方法結(jié)合應(yīng)用，形成了全新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化思想，標(biāo)志著現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的開始2。1973年Zienkiewicz和Campbell3在解決水壩的形狀優(yōu)化問題時(shí)，首次以節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，在結(jié)構(gòu)分析方面使用了等參元，在優(yōu)化方法上使用了序列線性規(guī)劃的方法。其后，眾多的學(xué)者在此基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展形成了使用邊界形狀參數(shù)化方法描述連續(xù)體邊界的方法，即采用直線、圓弧、樣條曲線、二次參數(shù)曲線、二次曲面、柱面等方式來描述邊界。1982年，Iman提出了設(shè)計(jì)元法。

5、該方法把結(jié)構(gòu)分成若干子域，每個(gè)子域?qū)?yīng)一個(gè)設(shè)計(jì)元。設(shè)計(jì)元由一組控制設(shè)計(jì)元幾何形狀的主節(jié)點(diǎn)來描述，接著選擇一組設(shè)計(jì)變量來控制主節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)。該方法可以有效地減少設(shè)計(jì)變量，但也存在網(wǎng)格畸形的缺點(diǎn)。1986年Belegundu提出了基于自然設(shè)計(jì)變量和形狀函數(shù)的形狀優(yōu)化方法4。他選擇了作用在結(jié)構(gòu)上的假想載荷等一系列自然變量，把由假想載荷產(chǎn)生的位移加到初始形狀上產(chǎn)生新的形狀，建立了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位移和有限元分析產(chǎn)生設(shè)計(jì)變量的線性關(guān)系，解決了平面彈性問題。1988年Bendsoe和Kikuchi發(fā)表的基于均勻化理論的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，開創(chuàng)了連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究的新局面。2002年羅鷹等提出三角網(wǎng)格進(jìn)化法，該

6、方法在優(yōu)化過程中實(shí)現(xiàn)了退化和進(jìn)化的統(tǒng)一，提高了優(yōu)化效率。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)過五十多年的發(fā)展，尺寸優(yōu)化與形狀優(yōu)化都發(fā)展到了非常成功的階段，在工程界有了廣泛的應(yīng)用。目前的尺寸優(yōu)化技術(shù)己經(jīng)相當(dāng)成熟，主要使用的方法可以分為兩大類最優(yōu)性準(zhǔn)則法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法。有關(guān)拓?fù)鋬?yōu)化方面，各種方法的研究都正處于理論探索方面。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是近年來從結(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，在國外處在發(fā)展的初期，尤其在國內(nèi)尚屬于起步階段。3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的優(yōu)化算法為了將結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)付諸實(shí)用，除了建立可靠的優(yōu)化模型外，還需要選擇收斂速度

7、快且計(jì)算不是很復(fù)雜的優(yōu)化算法。采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法求解數(shù)學(xué)模型，可歸結(jié)為在給定條件（例如約束條件）下求目標(biāo)函數(shù)的極值或最值問題。在實(shí)際工程優(yōu)化問題中，約束條件和目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系不僅是非線性的，而且是隱式函數(shù)，因此優(yōu)化算法的選用至關(guān)重要，需要對(duì)于不同層次的優(yōu)化問題選用不同的優(yōu)化算法。按優(yōu)化算法的理論基礎(chǔ)劃分，主要可以分為以下三種類型準(zhǔn)則法。（1）準(zhǔn)則法是通過力學(xué)概念或工程經(jīng)驗(yàn)來建立相應(yīng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，利用這個(gè)準(zhǔn)則在滿足各種約束的設(shè)計(jì)方案中尋找最優(yōu)性設(shè)計(jì)方案的方法。常用的最優(yōu)性準(zhǔn)則可以分為兩類即從直觀力學(xué)概念出發(fā)建立的力學(xué)準(zhǔn)則和從Kuhn-Tucker局部條件出發(fā)建立的理性準(zhǔn)則。準(zhǔn)則法的優(yōu)點(diǎn)是物理意義

8、明確，方法相對(duì)簡便，優(yōu)化中結(jié)構(gòu)重分析次數(shù)少，收斂速度較快等。目前結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的方法中，其力學(xué)模型一般都具有極龐大的設(shè)計(jì)變量數(shù)目，所以用得較多的優(yōu)化算法也是準(zhǔn)則法。（2）數(shù)學(xué)規(guī)劃方法。數(shù)學(xué)規(guī)劃法是以規(guī)劃論為基礎(chǔ)。它理論嚴(yán)謹(jǐn)，適用面廣，且收斂性有保證其缺點(diǎn)有：計(jì)算量大，收斂較慢，特別對(duì)多變量的優(yōu)化問題更甚。20世紀(jì)70年代中期以后，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的規(guī)劃法吸收了準(zhǔn)則法的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)力學(xué)特性進(jìn)行了某些改進(jìn)，如顯式逼近、變量連接、選擇有效約束、引入倒數(shù)變量、采用對(duì)偶求解技術(shù)等，使計(jì)算效率得到了顯著提高。通常使用的數(shù)學(xué)規(guī)劃法主要有可行性方向法、序列線性規(guī)劃法和序列二次規(guī)劃法、罰函數(shù)法、乘子法等。求解結(jié)構(gòu)形狀

9、優(yōu)化問題時(shí)，更多使用的優(yōu)化算法是數(shù)學(xué)規(guī)劃法。（3）另外，近年來，適合于并行計(jì)算的全局搜索法并結(jié)合仿生學(xué)的各種方法，如基因遺傳算法、模擬退火算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，極大熵原理法等開始應(yīng)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，也取得了矚目的進(jìn)展。4 總結(jié)與展望傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程是一個(gè)人工反復(fù)設(shè)計(jì)的過程。工程師借助CAD工具進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，接著提交工廠進(jìn)行加工制造，然后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如果產(chǎn)品不能滿足要求或出現(xiàn)質(zhì)量問題，就要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行修改。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，在初步設(shè)計(jì)階段，就需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)于不滿足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修改。而結(jié)構(gòu)優(yōu)化無疑應(yīng)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要一步。先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行概念優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后提交設(shè)計(jì)人員進(jìn)

10、行CAD設(shè)計(jì)，通過CAE虛擬實(shí)驗(yàn)檢查設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否符合要求，如果不符合要求，再對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，直到滿足CAE虛擬實(shí)驗(yàn)。完成這些后，再將產(chǎn)品提交制造。機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是隨著時(shí)代和行業(yè)的發(fā)展而不斷變化的。近年來，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)開始趨向于結(jié)構(gòu)模型的復(fù)雜化和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的大型化。如軌道車輛的設(shè)計(jì)制造中，在保證車輛的靜強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等符合標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，對(duì)車輛進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，將車輛中各個(gè)型材或焊接結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀等作為設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)變量的增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的分析推導(dǎo)和數(shù)值的計(jì)算難度增加，一些特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化沒有相應(yīng)的公式，采用大型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分解為各個(gè)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于一些

11、涉及多個(gè)學(xué)科的設(shè)計(jì)優(yōu)化，也可以按照學(xué)科不同來進(jìn)行優(yōu)化。并行計(jì)算技術(shù)的運(yùn)用，是機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的另一個(gè)發(fā)展方向。這一技術(shù)的主要代表有遺傳算法和模仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工算法。這種算法適用于離散與連續(xù)混合變量的全局優(yōu)化，能夠提高機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和精確度。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，可以根據(jù)產(chǎn)品的需要靈活選擇設(shè)計(jì)方案，一般運(yùn)用在大型機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，需要構(gòu)建大型的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)算。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同時(shí)也能促進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化和形狀的優(yōu)化，提升機(jī)械產(chǎn)品的性能。目前這方面主要存在的問題有對(duì)于應(yīng)力約束的處理、“多孔狀”材料的分布、計(jì)算模型的病態(tài)等5。解決這些難題，是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化在未來的重點(diǎn)工作內(nèi)容。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合大量先進(jìn)科學(xué)得到了高效的設(shè)計(jì)方法，大大提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量和速度，隨著數(shù)學(xué)理論和計(jì)算理論的發(fā)展，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也在不斷更新，思維更加開闊，各種設(shè)計(jì)方法也都得到了不同程度的完善6。所以機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)不但要深化工程設(shè)計(jì)理論，更要結(jié)合多種學(xué)科打開更加廣闊的發(fā)展未來。參考文獻(xiàn)1 王偉大展弦比飛翼結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钆c尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)D西安：西北工業(yè)大學(xué)，20072 黃彬基于雙方向漸進(jìn)優(yōu)化方法的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)D南京：南京航空航天大學(xué)，20053 蘇勝偉基于Optist