基于遗传算法和参数化建模的非线性结构优化.pdf

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1、第20卷第6期计算力学学报Vol.20No.62003年12月ChinesejournalofComputationalmechanicsDecember2003文章编号:1007-4708(2003)06-0764-05基于遗传算法和参数化建模的非线性结构优化张国栋顾克秋#(南京理工大学机械工程学院南京210094)摘要:提出了一种对存在接触关系的非线性结构(装配体)进行优化设计的新方法O该方法将遗传算法与结构几何及有限元参数化建模方法相结合在通用CAE软件的二次开发编程环境中实现对带接触的结构装配体进行结构尺寸和形状优化设计O文中利用该方法对某浮动式闭气结构的重要结构参

2、数和关键构件形状实施了优化设计使其闭气性能得到大幅度提高体现了本文方法在解决这类优化问题中的优势O本文的方法有利于拓宽结构优化技术在机械设计领域的应用范围O关键词:遗传算法;非线性结构优化;接触;有限元;参数化建模;金属密封中图分类号:TH122;0242.23文献标识码:A的接触和摩擦使结构呈现非线性特性O对这类结构l引言的各类参数进行优化设计通常情况下难度很大目结构优化是固体力学中一个极具生命力的研前的商业化软件均不具备这个能力O究方向其应用也是结构设计现代化的重要标志O解决这个问题的一个方法是首先进行参数研结构优化设计主要包括结构有限元分析和优化算究确定设计变量(参数

3、)及其约束范围在此基础法两部分O目前结构有限元分析主要利用通用有上建立结构装配体参数化几何模型及有限元模型限元分析软件如MSC.NASTRAN~MSC.以建立可能结构的集合与设计变量空间之间的1-MARC及ANSYS等O虽然这些软件已具备一定1对应映射;对任意一组设计变量由所建立的参程度的优化功能但由于其方法的固有局限性只数化几何模型映射成有限元模型利用有限元分析能对一些简单边界结构进行优化如板~梁~杆结构获得目标函数值和约束性能值从而建立结构响应以及独立实体构件等不能处理复杂结构尤其带接与当前设计变量之间隐含的对应关系;然后利用触的非线性结构的优化问题O遗传算法实施对结构

4、设计变量优化循环并给出目前对带接触的结构优化研究主要停留在理下一代结构参数O计算流程图如图1所示O论方法的探讨上[12]依赖梯度信息难以形成通其中参数化建模是实现上述优化过程的关用~实用的方法和软件O针对上述情况本文提出了键O模型实施参数化之后在有限元分析时可以进一种将遗传算法与参数化建模相结合在通用行接触有限元分析从而可以突破商业化有限元软CAE平台(MSC.PATRAN和MSC.MARC)上通件中优化模块不能处理带接触的结构优化问题的过二次开发编程环境对带接触的非线性结构进行局限性尤其适用于各种密封结构的参数优化设结构优化的方法O遗传算法(GA)[6]是模拟生物在自然环

5、境中遗计O传和进化过程而形成的一种自适应全局概率搜索目前结构优化建模方法主要基于有限单元的算法O遗传算法用于结构优化开始于20世纪90年代近几年得到了较快发展[345]且潜力巨大O2结构装配体参数优化方法结构装配体由多个构件组成工作时构件之间收稿日期:2002-05-13;修改稿收到日期:2002-15-22.作者简介:张国栋(1977-)男硕士;顾克秋#(1963-)男教授.第6期张国栋9等:基于遗传算法和参数化建模的非线性结构优化765优化和基于几何的优化建模方法G对于前者实现参变量一般采用浮点数编码方法9如果采用二进制编数化比较困难9结合有限单元与几何之间的相关码会存

6、在连续函数离散化时的映射误差问题9而且性9实现基于几何的参数化相对较容易G可以将结二进制编码不便于反映所求问题的特定知识9也不构的几何特征材料和结构的物理特性等全部实施便于处理约束条件9本文编码采用浮点数编码方参数化9以便进行参数研究9确定设计变量9设计约法G束作用于节点或者单元的响应上9如节点的位移或3.2适应度评价单元的应力响应9边界条件施加在模型的几何点运用遗传算法求解结构优化的关键之一是如线及面上9一般不宜施加在有限单元体上G何满足约束G惩罚技术是用遗传算法解约束优化问对结构装配体模型实施参数化时9首先要对各题中最常用的技术9其本质是通过惩罚不可行解将个相互关联

7、或者相接触的构件做相关性分析研究9约束问题转化为无约束问题9可行解与不可行解共确定结构尺寸之间的相关性9避免相互接触的几何存G实体之间发生相互干涉或者分离9除此之外9还要取乘法形式的适应度评价函数:对各个构件点线之间的相关性做分析9结构参数F(X)=f(X)P(X)(4)的变化要保证既定的结构形式G式中F(X)为适应度函数9P(X)惩罚函数G本文优化模型的参数化是在S-PATRAN必要时可以对适应度函数进行尺度变换以改软件二次编程环境下9利用该软件提供的PL语进算法的性能G言编程实现的G该软件为实施参数化提供了功