结构优化设计--崔昌禹(哈尔滨工业大学)01_第一章课件.ppt

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1、OptimumDesignofStructures结构优化设计2009年秋季崔昌禹哈尔滨工业大学土木工程学院GraduateCourse结构优化设计的基本概念基础知识一维搜索无约束优化有约束优化力学准则法七设计敏感度分析八结构优化设计的工程应用课程目录第一章结构优化设计的基本概念GraduateCourseofOptimumDesignofStructures@HIT,LuDagang,Spring20071.1结构优化设计的意义和任务2设计向量、可用域和目标函数1.3数学模型1.4结构优化设计方法和分类1.1结构优化设计的意义和任务结构设计的发展设计理论；经验、感性科学粗略

2、估计定量的精确计算2.设计方法；生物比拟法、类比设计法寻求合理的结构3.设计的改进；设计师的直觉和才能凭经验，靠积累结构的优化设计结构的优化设计过程力学的作用综合和优选主动的设计者的作用建立优化模型寻求优化算法编程上机求解判断最终结果传统结构的设计过程力学的作用分析和校核被动的设计者的作用提出初步方案进行力学分析进行约束校核修改设计方案1.1结构优化设计的意义和任务结构优化设计理论孕育阶段（20世纪60年代以前）1.古代的朴素优化设计2.近代的解析优化设计结构优化设计理论发展缓慢的的主要原因缺乏高速的计算工具进行结构分析缺乏有效的数学方法指导和改进设计，近代的结构优化理论是借助

3、于古典的微分法和变分法进行的结构型式从梁演变到拱（Arch）、桁架（Truss）、穹顶(Dome)古代的结构优化设计以进化般的速度缓慢地发展1869年，麦克斯韦（Maxwell）提出最优桁架的Maxwell定理1904年，米歇尔（Michell）提出最小体积桁架的优化设计问题满应力设计（Fullystresseddesign）同步失效设计法（Simultaneousfailuremodedesign）1.1结构优化设计的意义和任务结构优化设计理论形成阶段（20世纪60年代～70年代）1.结构优化设计理论产生的背景社会生产的需求：50年代末、60年代初，航空航天、海洋开发、新能源

4、、新材料等工业的发展。电子计算机的出现：计算结构力学，计算固体力学，计算流体力学结构分析的理论与方法的日益成熟：有限元方法（FEM）数学规划理论的发展：40年代：前苏联的康托洛维奇提出了线性规划问题；美国学者Dantzig提出了求解线性规划的单纯形方法。50年代：1951年，美国学者Bellman提出了动态规划理论；1957年，发表世界名著《DynamicProgramming》。60年代：非线性规划理论得到极大发展。1.1结构优化设计的意义和任务2.结构优化设计理论诞生的标志1960年，施密特（L.A.Schmit）在美国ASCE第二届全国电子计算学术会议上发表论文：“Str

5、ucturalDesignbySystematicSynthesis”，首次提出将有限元方法和非线性规划（NLP）结合起来进行系统综合的想法，宣告结构优化设计理论正式作为一门独立学科的诞生。3.结构优化设计基本理论与方法的创立60年代：数学规划法70年代：理性准则法70年代末期：混合法（最优准则法和数学规划法的结合）1.1结构优化设计的意义和任务结构优化设计理论发展阶段（20世纪80年代～至今）结构优化设计的层次:尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化、类型优化动力优化设计不确定性优化设计:模糊优化设计、随机优化设计、模糊随机优化设计可靠性优化设计多目标优化设计多学科优化设计离

6、散变量优化设计智能优化设计并行优化设计全系统全寿命优化设计集成化优化设计:CAD+CAE+OD+DSA+VR+RP+PDM+……1.1结构优化设计的意义和任务结构优化设计的层次与类型一、结构的截面优化设计（SectionOptimization）结构截面优化，又称结构的尺寸优化（SizeOptimization），是在结构类型、材料、布局、几何形状已定条件下，求结构各单元的最优截面尺寸。结构截面优化是目前研究得最多、理论和方法已趋于成熟的领域。1.1结构优化设计的意义和任务二、结构的形状优化设计（ShapeOptimization）结构形状优化，又称结构的几何优化（Config

7、urationOptimization），它是在结构类型、材料、布局已定的条件下，对结构几何形状进行优化。三、结构的拓扑优化设计（TopologyOptimization）结构拓扑优化，就是对结构的构件布局和节点联结关系进行优化。以桁架结构为例，这个桁架应分为几个节间？各节点之间如何联结？四、结构的布局优化设计（LayoutOptimization）将截面、形状、拓扑这三个层次的优化综合起来，即对结构的布局形式进行优化，求得最佳的拓扑、形状和截面分布。五、结构的类型优化设计（Lectotyp