各向异性结构动态特性拓扑优化设计的敏度分析

利用水平集函数建立了各向异性连续结构动态特性拓扑优化设计的理论模型,使用一种全新方法证明了物质导数公式,得到了域积分和边界积分泛函的物质导数表达式.通过将物质导数法和不等式约束增广Lagrangian乘子法相结合推出了各向异性材料结构动态特性拓扑优化设计敏度分析的公式.设计边界的进化是通过人为的使目标函数下降的速度来控制,高维水平集曲面在不改变其拓扑结构的前提下上下运动,从而使嵌入在零水平集的结构形状通过其边界的合并与断裂在设计域内自动地改变其拓扑结构.广泛的2D正交各向异性悬臂梁研究验证了该方法的有效性,其结论为进一步发展复合材料结构的拓扑优化设计理论与算法奠定了基础.     

基于系统可靠度的空间网格结构优化分析

以空间网格结构的杆件截面为基本变量,提出了以结构的最小重量为目标函数,把结构系统的可靠度作为约束条件,采用改进的遗传算法的空间网格优化理论,从而避免了对结构系统可靠度进行复杂的敏度分析,降低了系统可靠度约束下的结构优化的难度。通过算例表明,优化结果令人满意,且收敛性较好,表明了该方法的可行性。     

刚架结构体系可靠度分析与优化设计方法

本文以结构系统的可靠度作为结构优化设计的控制参数 ,利用分支 界约法寻找结构的主要失效模式 ,用条件概率法求体系可靠度并给出了结构体系可靠度的敏度表达式 ,用最佳矢量法求解结构体系可靠度指标约束下的最小重量优化设计问题 ,最后给出平面刚架计算实例 ,结果表明了本文方法的有效性。     

对偶规划法在钢管混凝土拱结构优化设计中的应用

本文采用改进的对偶规划法对钢管混凝土拱结构进行优化设计。将隐式性态约束作了显式处理 ;从能量原理出发 ,利用单元刚度矩阵元素的物理意义推导位移、内力敏度 ;综合运用变量轮换法、弦截法等优化方法求解对偶规划 ,并进行结构重分析以适应由形状改变引起的内力调整 ,从而获得最优解。本方法具有简便、实用等特点 ,特别适用于大型复杂结构 (多变量 )优化设计。     

拓扑优化中水平集方法的局限性及改进方法

提出了一种基于拓扑导数的水平集方法,利用拓扑导数在材料的内部生成新的孔,再运用水平集方法移动和融合新生成的孔,克服了传统水平集方法的缺点并保留其优点;通过数值算例展示了传统水平集方法的缺点和新方法拓扑优化问题的改进效果。结果表明:提出的拓扑导数水平集算法简单有效,可以进行连续体结构的拓扑优化设计。     

基于水平集方法的连续体结构拓扑优化

提出了一种用水平集函数作为设计变量求解连续体结构拓扑优化的方法。优化方法以结构的整体柔度最小为目标函数,以实体材料所占的体积为约束条件,综合采用有限元方法和优化准则法对问题进行求解。该方法与密度惩罚法相比,克服了锯齿形边界,得到了光滑的结构边界;与传统水平集方法相比,不用求解复杂的Hamilton-Jacobi方程,提高了计算效率。在对Heaviside函数正则化处理中,考虑了形状导数和拓扑导数信息,加快了收敛速度。用该方法对梁的拓扑优化设计进行了试算,得到了满意的优化结果。     

焊接结构裂纹扩展分析的无网格和水平集耦合方法

针对焊接结构由于初始裂纹的存在而导致裂纹扩展,降低结构承载力,危及结构使用安全的问题,提出了分析有初始裂纹焊接结构的裂纹扩展及其扩展路径的无网格和水平集耦合方法。先建立焊接结构的无网格模型,将节点划分为常规节点、阶跃扩展节点和裂尖扩展节点; 然后采用移动最小二乘法计算近似函数,得到结构的位移场及应力场; 最后采用相互作用积分法求解应力强度因子,将最大周向应力准则作为失效准则计算开裂角,获得焊接结构的裂纹扩展路径。裂纹几何形状采用水平集法描述,裂尖位置采用在裂尖处相互正交的波前水平集函数和裂尖水平集函数定位,裂纹扩展路径跟踪采用水平集更新算法实现。以焊接节点为环状形式截面且存在初始焊接裂纹为研究对象,编制了基于所提方法的裂纹扩展程序。结果表明:采用所提方法分析焊接结构裂纹扩展计算得到的应力场光滑且协调,无需进行后处理,避免了有限元计算裂纹扩展时网格畸变和扭曲,提高了传统无网格法的精度和效率,实现了对裂纹扩展路径的准确跟踪。     

复合材料检查井盖的设计及在城市路面上的应用

随着我国经济的快速发展,我国交通、通讯等基础设施的建设又迎来了一个新周期。检查井盖在城市规划和道路建设中得到大量使用。文章主要研究复合材料井盖优化集这两种优化方法为一体,先运用一种方法尝试了不同的井盖结构,分析他们的受力特点,得出一种比较经济合理的结构,然后运用第二种优化方法,优化该种结构的一些几何尺寸,如优化井盖的板厚,加强筋高度、宽度等尺寸,从而得出一种最为合理的结构。     

抗震结构的模糊优化设计

文献[1]和[2]中指出,结构优化设计的目标函数和约束函数中包含有大量的模糊信息,提出了结构模糊优化设计的概念和物理量(结构反应和尺寸)在模糊许用范围下的α-水平截集解法。 本文进一步提出了抗震结构模糊优化设计的方法。为此定义了模糊预测烈度、模糊反应谱、结构的模糊反应,给出了具有广义模糊约束(包括模糊约束函数及其取值的模糊允许范围)的模糊规划的解法。文献[1]和[2]中所用的α-水平截集解法是它的特例。这个解法的基础是给出了模糊约束函数对其允许模糊取值范围的满足度的概念,并利用它把问题转化为一系列非模糊规划,从而得到一个最优点序列,这就为求解模糊规划奠定了基础。 在抗震结构优化设计中,第一步利用上述方法求得结构最小造价点集,各设计点对应着不同的设防水平;第二步在目标函数中综合考虑初始造价和未来若干年震害损失期望,求得最优设防水平及与其对应的一个最优设计方案。     

除雪车螺旋集雪器结构与性能研究

在建立除雪作业效率、功耗数学方程的基础上,分析以装载机为牵引主机的多功能除雪机专用浮雪清除属具—螺旋集雪器的结构参数及其对除雪作业性能的影响;在此基础上,建立以功耗最小和除雪作业效率最高为目标函数的数学模型,优化分析螺旋集雪器的结构参数;经结构参数优化的集雪器除雪作业效率显著提高。     

周期与层间位移角双约束条件下超高层结构优化设计方法

基于地震作用下层间位移角和一阶周期对构件材料成本的敏感性系数计算公式的推导，提出了双约束条件下结构优化组合排序法。结合一两层平面框架算例，分别采用建议公式和等增量敏感性分析方法计算了设计约束对构件材料成本的敏感性系数，并进行了对比；以某超高层结构为研究对象，采用提出的计算公式和组合排序法对结构进行了敏感性分析和结构优化。结果表明：采用建议的计算公式和等增量敏感性分析方法得到的敏感性系数较吻合，说明建议公式具有较高的准确性；采用组合排序法进行双约束条件下的结构优化时，当控制每组构件材料成本变化量不超过10%时，设计约束对构件材料成本的敏感性系数可认为是不变量；在初始优化阶段，设计约束改变较慢，当不敏感构件组的构件优化完成后，主要改变较敏感构件组的构件，使设计约束加速收敛至限值；优化过程中出现了最大层间位移角所在楼层交替变化的情况，可采用比规范更加严格的限值来进行结构优化，从而保证实际的设计约束条件满足规范限值要求。     

Buckling and imperfection sensitivity in the optimization of shell structures

The subject of the present study is the optimization of structures with geometrically nonlinear behaviour allowing the inclusion of instability phenomena and imperfection sensitivity in the structural design. The proposed optimization procedure is based on the methods of path following, direct computation of bifurcation and limit points and an accurate and efficient sensitivity analysis. The finite element method is used for the structural analysis. These techniques are used together with mathematical programming schemes and methods of computer-aided geometric, design.     

半刚接钢框架系统刚度可靠性对随机变量的敏感性分析

本文将梯度优化法与有限元法相结合,研究了结构失效模式可靠度对隐式随机变量的敏感性,并用PNET法分析了结构系统刚度可靠度对随机变量的敏感性。通过三个算例,对影响半刚接钢框架系统刚度可靠度的多个随机变量进行了敏感性分析,结果表明:在中高层钢框架中,结构系统刚度可靠度对连接刚度Rk的均值敏感性更为显著,而对其变异系数和分布类型的敏感性较小,在结构设计中应慎重考虑。     

论投资商的敏感性分析

结合工程实例，对项目敏感性的分析方法，在单因素分析方法的基础上，结合双因素分析理论进行了探讨，为项目决策提供更全面、更广泛的决策依据。     

Reliability-based optimization in structural engineering

In this paper reliability-based optimization problems in structural engineering are formulated on the basis of the classical decision theory. Several formulations are presented: Reliability-based optimal design of structural systems with component or systems reliability constraints, reliability-based optimal inspection planning and reliability-based experiment planning. It is explained how these optimization problems can be solved by application of similar techniques. The reliability estimation is limited to first order reliability methods (FORM) for both component and systems reliability evaluation. The solution strategies applying first order non-linear optimization algorithms are described in detail with special attention to sensitivity analysis and stability of the optimization process. Furthermore, several practical aspects are treated as: Development of the reliability-based optimization model, inclusion of the finite element method as the response evaluation tool and how the size of the problem can be made practicable. Finally, the important task of model evaluation and sensitivity analysis of the optimal solution is treated including a strategy for model-making with both pre and post-analysis.     

考虑参数随机性的高层建筑风振舒适度的非线性黏滞阻尼器优化布设

以顶层加速度作为概率特征量,建立目标函数,分别采用基于随机等效线性化系统的频域方法和基于概率密度演化理论的非线性系统时域方法,进行了考虑结构参数随机性的高层建筑风振舒适度控制的黏滞阻尼器优化布设研究。结果表明：在总黏滞阻尼器系数相同的条件下,以顶层加速度标准差和失效概率为目标函数的黏滞阻尼器优化布设方案,在确定性激励作用下均能显著降低结构的风振响应,且相对于未优化的阻尼器均匀满布方案更经济、更有效。以加速度标准差为目标函数的传统阻尼器优化布设本质上是确定性分析方法,对结构可靠度的提高作用有限,而以加速度失效概率为目标函数的阻尼器优化布设,以结构响应的概率密度函数为优化对象,能显著地提高结构的可靠度,有利于改善高层建筑结构的风振舒适度性能。     

基于遗传算法的土坡稳定性分析数值解研究

建立了边坡稳定性分析的平面直角坐标系,得到了该坐标系下的边坡稳定分析瑞典圆弧法的积分表达式。以简单均质黏性土坡为研究对象,结合MATLAB遗传算法工具箱,建立了基于瑞典圆弧法的遗传算法优化模型,实现了边坡稳定分析最小安全系数的自动寻优。通过实例进行验证和对比,表明该方法是行之有效的。     

相连两结构体系的动力特性和抗震性能

不同动力特性的子结构通过某种方式连接后,体系的动力特性不仅取决于独立结构和连接构件本身的性能,而且还取决于它们之间的相互作用,其相互作用的影响程度主要是取决于连接构件的刚度以及连接方式。研究了此类结构体系的动力特性随着连接构件刚度的变化规律。对于利用天桥相连的两实际结构三雏模型的时程分析结果显示：（1）子结构的各项反应有着不同的变化规律,因此不能仅从一项反应的结果得出一般的结论;（2）利用非耗能元件相连结构动力特性的变化非常大,设计时不能忽视。     

基于灵敏度分析和优化方法的异形钢结构烟囱模型修正

为了给异形钢结构烟囱的抗风、抗震计算及健康监测提供可靠的有限元计算模型,采用钢结构烟囱风洞试验模型的模态参数作为基准,将灵敏度分析和优化方法与大型有限元分析软件相结合修正烟囱结构模型的有限元模型。首先对烟囱结构参数化建模,然后通过灵敏度分析选择合适的优化变量,最后应用一阶优化方法修正烟囱结构的有限元模型。结构构件间连接的过分简化常会带来较大误差,因此烟囱结构的部分连接节点采用半刚性计算模型。结果表明,经过修正后的有限元模型动力计算结果与试验结果非常接近。