基于离散变量桁架结构截面优化及软件实现

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1、湘潭大学硕士学位论文题。这些在求解桁架的截面积优化时取得很大的成功。我国钱令希教授提出的序列二次规划法也是这样的一种混合方法，这一方法在大连理工[12]大学被用来开发通用结构优化软件DDDU。随着有限元数值模拟技术的日益成熟和广泛应用，人们开始尝试将有限元结构分析方法与结构优化设计方法相结合，应用于计算机辅助设计（CAD）中，建立高度智能化的优化专家系统成为了研究热点。K.Schittkowski开发了人机交互的集成系统LAGRA-NGE，以支持结构优化设计问题求解的全过程，在采用有限元方法描述结构后，该系统可引导用户定义优化问题、定义约束类型及

2、约束值、设计变量连结、优化算法选择、输人数据生成及结果评价。该系统可以自学习、利用规则建议[13]适当的优化算法和在发生错误时给出弥补方法。到目前为止，就优化问题的难度来说，构件截面（尺寸）优化的理论己经比较成熟，应用也很广泛；形状优化在某些领域内应用已较为普遍并取得一定的成绩；拓扑优化成为当前结构优化的研究热点。Dorn和Gomory提出的，采用基结构，作为解决结构拓扑优化的方法已得到广泛[14]认同和采纳。1.2.3土木工程结构优化设计的现状结构优化设计方法作为一个新兴课题，目前的发展仍偏重于理论和方法的研究，实际应用远远落后于理论的发展，特

3、别是在土木工程领域，结构优化设计方法的应用还不普遍，究其原因，主要有：1、优化的数学模型不符合设计规范的要求由于结构设计中的约束条件复杂，往往规范中规定的不少系数或约束，在优化模型中，往往不予考虑或作简化处理，但是设计人员是不能满足于这种近似的，他们要求设计结果必须严格符合设计规范，而且这种近似获得的解，可能只是原问题的局部最优解，而非全局最优解。2、设计人员对结构进行优化设计的意识不够第一，现行的规范和规程还没有要求采用优化设计；第二，凭多年的经验能设计出基本符合优化设计标准的结构，不愿进行优化设计；第三，一些设计人员图省事，习惯使用传统的设计

4、方法进行设计，只满足于工程不出事故；第四，设计人员不熟悉结构优化的理论与方法，对结构优化设计的工程意义认识不够。3、需要研究高效的离散变量优化算法工程实际结构中构件截面尺寸大都是离散量，必须采用组合数学工具来求解，这些组合的数学工具一般计算速度慢，计算结果不够精确，4湘潭大学硕士学位论文因而研究高效的离散变量优化算法具有特殊的现实意义。4、缺少设计人员乐于接受的计算机优化程序系统现有的优化设计软件一般不能满足结构设计的要求，即该软件要具有有效的前后处理系统、合理的结构分析系统、理想的构件设计系统等。因而，在现有的一些通用的大型有限元分析软件上，二

5、次开发优化模块[15]是开发结构优化软件的一条捷径。1.2.4进行CAE软件结构优化模块二次开发的意义现代CAE技术的发展，使人们的分析领域扩展到了各行各业的每个角落，但是，实际工程中，目前普遍使用的CAE软件中的优化模块基本上都是通用的，它们不能完全适合一个具体工程问题的实际情况。人们所研究问题的深度及综合程度却在逐步提高，CAE软件优化技术的适应范围也必然随之扩展。随着CAE技术的发展，CAE中的优化设计也出现了许多新的特点，如离散变量的优化问题、多目标的优化问题以及结构拓扑优化问题等等。为了得到更大的自主性，软件开发者在调研工程领域的整体需

6、求后，也在不断地完善优化模块，以适应不断增长的用户需求。但由于优化理论是近年来才逐渐发展起来的，所以掌握了计算机应用技术的软件人员并不一定掌握了最新的优化理论，这就使得他们不可能将良好的设计理念贯彻到编程过程中。这就需要能将先进的优化设计理论吸收采纳，利用计算机硬件和支持软件系统所提供的功能，在已有的优化模块的基础上，针对不同的用户需求，开发和丰富新的优化模块，即所谓的“二次开发”。由于经过二次开发的CAE优化软件具有良好的人机界面，并溶入了大量专业设计人员的经验，拓宽了工程中的优化领域，从而提高了设计效率和质量，更适应实际工程的需要。同时对于软

7、件公司来说，创建出科技含量高、市场竞争力强、前瞻性好的产品也是追求长远发展和效益最大化的关键所在。由此可见，CAE优化模块的二[16]次开发具有重大的意义。美国MSC公司开发的NASTRAN软件，是结构分析领域较权威性的分析工具，它所拥有的优化模块为解决工程实际问题提供了必要的分析结果，其本身也支持离散变量优化，但是NASTRAN中采用的离散变量优化算法—向上圆整法、舍入法、保守设计法、正交实验设计法等方法还是存在不能获得离散变量优化最优解，或是计算效率不高，对多变量、多工况问题处理能力不足的问题，而且工程设计人员采用NASTRAN软件进行离散变

8、量结构优化之前需要掌握专业的NASTRAN数据卡知识，这对土木工程专业设计人员来说提出了过高的要求。因而有必要再开发支持离5湘潭大学硕士