基于eso法的循环结构的优化设计

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1、上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名齐恩伍日期2009年2月13日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或

2、扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密请在以上方框内打“”学位论文作者签名齐恩伍指导教师签名蒋丹日期2009年2月13日日期2009年2月13日上海交通大学工程硕士学位论文第一章引言第一章引言1.1循环结构的研究现状由于轻量性和制造的简易性，以蜂窝夹心板为代表的循环结构在工程界有着广泛的应用，例如防护门、防护网等。所以对于它们的研究也就成了结构优化设计领域的一大课题。循环的微观结构经常是由轻量的微孔材料构成的，所以在结构设计中，一[1]般由微孔材料的相关条件出发来进行优化设计。与之相反的，1994年Sigmund博士[2]提出了一种均

3、匀化方法，并且Sigmund和Torquato在1997年根据循环的边界条件来成功的确定了相关的微孔材料的属性，因此从理论上首次确定了微孔材料的属性和宏观的循环结构属性的关系。可是，宏观的循环结构的优化设计，比如说蜂窝夹心板的柔顺度最小化的设计，又与这种纯理论的微观的材料分布设计有很大的不同。为了得到微观材料的初步分布和改善局部的材料微观结构的优化结果，2006年Zhang和[3]Sun通过把宏观和微观相结合研究了微孔材料的规模效应。这种方法可以直接应用于循环结构的优化设计。但是这种方法计算量很大，因为每次迭代必须包含两次有限元分析，一次是宏观层次上的优化问题，另一次是微观层次的优化

4、问题。在循环结构的优化设计过程中，材料在整体上的分布必须是循环的，尽管约束的分布可能不具有循环的特点。图（1.1）为实际生活中应用到的具有循环结构产品。图1.1循环结构Fig1.1PeriodicStructure在循环结构中，最为重要的循环对称结构，工程界很多零部件都具有循环对称结构，例如各种圆盘类的零件。离合器盘毂最为具有循环对称结构的一员，设计比较复杂，所以本文利用ESO法，结合ANSYS的有限元分析，对其进行了研究。第1页上海交通大学工程硕士学位论文第一章引言图1.2循环对称结构Fig1.2Cyclic-symmetrystructure1.2结构优化的研究现状优化问题是指在

5、一组可行解中，找到最能满足一个或多个要求的解的过程。这个过程通常包括三个步骤：（1）建立数学模型，即制定目标函数和设计变量；（2）处理约束，包括不等式约束和等式约束；（3）使用不同的算法求解，如渐进式算法、随机算法、枚举法等。众所周知，机械结构和零部件的优化设计是为了设计出重量轻，刚强度好，可靠性强的理想结构。集计算力学、数学规划、计算机科学以及其它工程学科于一体的结构优化设计是现代结构设计领域的重要研究方向。所谓结构优化设计，通常是指在满足强度要求等条件约束下，使结构的总重量最轻，或造价最低，或工序最简单。实际上，就是在给定的载荷和边界条件下，在预定的结构可行设计区域上，寻找材料的

6、最优分配。这种分配包含着结构的尺寸、形状、拓扑和布局设计。根据设计变量的性质，结构优化的数学模型可分为连续变量模型、离散变量模型和连续变量与离散变量的混合变量模型。如何在满足约束条件的基础上，更好地对结构进行优化设计，一直是工程界不断努力追求的目标。而结构优化设计的任务，就是以数学规划为基础，运用计算机从众多的可行设计中，选择出相对最优的结构设计方案。它为人们长期所追求最优的工程结构设计尤其是新型结构设计提供了先进的工具，成为近代设计方法的重要内容之一。结构优化设计是一门综合性、实用性很强的理论和技术。结构优化设计不仅要用有限元等数值方法为分析手段，而且还需要进一步计算结构力学性态的

7、导数值，需要建立满足工程设计中各种实际要求的优化设计模型，需要根据结构与力学的特点对优化算法进行必要的改进。它的一般流程如图（1.3）所示。结构优化设计主要分为四个层次：尺寸优化、形状优化、拓扑优化和结构类型优化，优化技术包括传统的参数第2页上海交通大学工程硕士学位论文第一章引言设计优化、基于产品几何形状的拓扑优化、多目标优化设计等。早期的结构优化主要是针对尺寸优化问题，设计域形状是固定的。后来随着结构边界优化的提出，形状优化就应运而生。之后，为了更有效地