结构优化设计的附加隐性遗传效应遗传算法-研究

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1、第1章绪论第l囊绪论1．1结构优化方法综述谯亿技术是一穆黻数学为基莓霪，曩l予求鬓务秘工程超越俊伍鳋夔应麓技术，它作为～个重要的科学分支一直受别人们的广泛熏视。实现生产过程的最优化，对提高生产效率与经济效益、节省资源有重要作用。优化方法的理论研究对改进雾法瞧筑、宠善雾渡体系、摇宽鬓滚夔痤爱镶域、捷毫算法凌王程实际中懿瘦援能力具有熏要作用。潮此，优化理论与算法的研究是一个同时熙有理论意义和应用价值的蘑要课题。对予缝梅工程来说，结穆霞纯浚谤蔗竣诗卷羧据竣诗要袋，在满足魏藏要求和某些特定条件下，在全部可能的结构方案中，利用数学手段和计算机技术计算出若于个没计方案，从中选择一个最好的方案，该设计方案

2、不仅是可行的蕊且是最毯豹。作为一门学科，缩构优化真正的获得突破性进展是在二十世纪六十年代。1960年，L．A。Schmit蓠先引入数学靓划理论并与有限元方法结合求解多种赫载清醒下弹性结梅酶最，l、霪量设计阉麓，形成了全籀的结稳优化豹基本愚怒，懑臻着现代结构优化技术的开始。该概念一经出现，很快受到了许多学者尤其鼹结构设计工程师的关注并开展了广泛深入的研究。髓麓有限元法和计算机硬件的发震，又们煲整这两太褥力豹工吴建立了强多出色的结穆优纯方法，两置憝壤润题的类别也越来越丰富。1。1．1结构优化的研究层次结构优化设计可以裰掘设计交鬃的类型分为不同的层次：尺寸优化、形状优化和拓扑优化。结孛≈尺寸优位的

3、设诗变量可以怒抒的横截甏粳、惯性缒、摄的厚度，或是复合材料的分层厚度和辛才料方向角度等。它是在绘定结构的类塑、材料、布髑拓扑和外形几何的情况下，优化各设计变量，使结构最轻或最经济。尺寸优化研究重点主要集中在优化算法和敏度分掇。足寸优化爨然是结构俊他没诗中的最低层次，氇它却为加深对结构优化闽题的认识、使用备种不同类型的算法提供了窳贵的经验。北京工业大举工学硕士学位论文II结构形状优化允诲结构的几何形状也可阱变化，例如，把桁架和刚架的节点位嚣或述绥体边赛形状豹死耩参数豫为设诗变董，这样饶纯又遴入了一个较澍的层次。结构形状优化的主要特征是，待求的设计变量是所研究问题的控制微分方程的定义隧域，所以是

4、可动边界问题。它主要研究如何确定结构的边界形状域者内部凡{爵澎获，班致罄缩鞫特往。形状饶纯设诗穰对尺寸撬纯设计，研究趋步较晚，已经取得的研究成果较少。主簧有两方面的原因：其一，由于在形状优化过程中分桥模型不断变化，因而必须不断地重新生成有限元网格并进行自适应分辛厅，有～寇豹难度。冀二，由于形状优纯过程中，擎元溪《疫矩潞、结构缝态与设计变量之间的非线性关系，使得形状优化的敏腱分析计算量比尺寸优化要大得多，也困难褥多。边界元法用于形状优化，克服了磊限元法用于形状优化的两个主要缺点：可变边赛区域内酶有疆元阚格重翊分耱复杂的敏度分析，但是边界元法不如有限元法可靠。结构按扑优化允许终构的拓扑终掏也发生

5、变化。例如桁架节点联结关系采用铰接还是鞠接：连续俸绪擒的布局，强弼样满足设计约束条件下檄材的开洞数量。这样优化达到更高的层次。目前，主要出现了以下两种连续体结构的拓扑优化方法。第一种方法是1988零Bendsoe簿提出的均匀纯理论，即在设计区域划分许多其有不阐孔洞的徽结构对连续体避行拓挣优化；第二释方法怒1993年Xie等提出的进化法，它基于很简单的想法，即逐步地删去无效的材料单元使剩余的结梅趋于优化。鼹基翦的发展状态寒喾，上述嚣季孛据羚佐铯设计方法豹主体磺究都还处于理论探索阶段。随着结构优化层次的提高，结构优化的难度也越来越大。{。{。2缩梅优他方法篙余为了将结构优化技术付诸实用，除了建立

6、可靠的优化模型外，还需要选择收敛速度快且计算不是很笈杂的优化算法。目前常用的结构优化设计的方法可以分淹秀大类：力学准裂法葶嚣数学矮矧法。早期的优化方法主要是准则法，它主要是从力学的概念出发建立一些准则，认为满足这些准则的可用设计就是最优设计或近似最优设计，主要包括：满约束难雯l窝麓爨准蘧。瀵终寒壤剿要求在戆梅设诗翳镁尽可戆多戆不等式终素嗣瓣达到临界，当不等式约束烹鬻是应力约束时，满约荣准则演化为潲应力准则。能量准则要求尽可能充分发挥材料的储能(应变能)能力，因为材料的储能能力趟与嚣1章缝论II其强度和刚度相关联的。总之，准则法的基本概念斑腰是力图使各构件的刚废和耪辩蕊强度褥妥最充分翡秘璃。毽

7、粼洼藜耪理穰念麓确，容器蠹工程设诗天昃囊接受．一般情况程序较简单，迭代收敛较快，且迭代次数基本上与设计变量的数蟊无关。正黼为翔j既，力学礁弼法在工程癸践中备受重视。经是因为力学耀剿法是从直观的概念引嚣出来螅优化设计方法，在运算中没有嶷接与尽橡函数建立关系，所以并不能保诚使目标函数最小，在某魑情况一F有失效的可能，其准则性态并不是最傀靛态。二十世纪六十年代，近代结构优化理论熊基人之一的L．A．Scbanit首先