结构可靠度分析的均匀设计响应面法

均匀设计和正交设计在试验次数相近的情况下,前者所选试验点均匀性更好,也更具代表性。该文将均匀设计与响应面法相结合,提出了结构可靠度的数值模拟新方法：基于均匀设计的响应面法、均匀设计响应面与蒙特卡罗抽样相结合的混合模拟法;介绍了利用均匀设计选取试验点构造响应面方程,求解可靠度的流程。结合一个门式框架的可靠度问题,基于AN...     

基于单变量分析的自适应响应面法

由于简便易行,响应面法在结构可靠度分析中获得了众多关注,其中尤以不考虑交叉项的二次响应面应用最为广泛。然而,对于与强非线性相对应的复杂极限状态曲面,二次响应面的近似精度显然不够,从而引起可靠度估计的较大误差。虽然理论上高次响应面法可以解决这一问题,但待定系数的急剧增长导致计算效率降低甚至无法实现。为此,该文以多变量函数的单变量分析为基础,提出了一种合理确定高次响应面形式的算法,可以有效地减少响应面中待定系数的数量,降低了计算的困难,并且针对可能出现的问题提出了改进措施;此外,基于数论选点策略,发展了一类适用于响应面法的数论选点方案。最后,通过算例分析对建议算法进行验证,结果表明该算法具有较好的精度和效率。     

考虑交叉项的自适应响应面法

“精度”和“效率”是近似方法的重要评价指标。传统的二次多项式响应面法,无论是不含交叉项的二次多项式还是完全二次多项式均不能兼顾“效率”和“精度”。为此,该文中提出了一类可在两者之间达到较好平衡的自适应响应面法。一方面,为确保响应面形式更具合理性,通过严格的数学推导给出了极限状态曲面中交叉项是否存在的判断准则,将该准则与完全二次多项式相结合即可确定合理的、自适应的响应面形式;另一方面,针对该判断准则,构造了与之对应的实现算法,并结合可靠度问题的特点,将算法进一步完善;为克服此算法选点中心位于均值点的特性,引入了样本点选取的迭代方案对其改进。最后,该文中通过一个数学算例和一个工程算例分别对建议方法及算法进行验证,结果表明：1) 交叉项存在的判断准则准确、有效;2) 对于较为简单的二次极限状态曲面,建议方法可以真实还原;3) 对于涉及一般极限状态曲面的可靠度问题,建议方法具有颇为理想的精度和较高的效率。     

一种基于响应面的翼型鲁棒优化设计方法

针对不确定因素引起的翼型气动性能波动现象,探讨了翼型几何形状随机不确定波动对翼型气动特性的影响,并进行了减小此影响的鲁棒优化设计。引入类别形状函数变换(CST)方法可以大大降低设计变量自由度数目,以NACA0012翼型为例,进行了考虑翼型几何形状随机扰动的气动不确定性分析,发现几何形状的微小波动对升力特性影响很小。发展了一种基于响应面和遗传算法的鲁棒优化设计方法,能够高效的减小阻力及其波动的影响。计算结果显示尽管相对于确定性优化结果鲁棒优化阻力略有增加,但波动更小,气动性能具有更好的鲁 棒性。     

CO-EVOLUTIONARY HYBRID DIFFERENTIAL EVOLUTION FOR MIXED-INTEGER OPTIMIZATION PROBLEMS

Evolutionary algorithms are promising candidates for obtaining the global optimum. Hybrid differential evolution is one or the evolutionary algorithms, which has been successfully applied to many real-world nonlinear programming problems. This paper proposes a co-evolutionary hybrid differential evolution to solve mixed-integer nonlinear programming (MINLP) problems. The key ingredients of the algorithm consist of an integer-valued variable evolution and a real-valued variable co-evolution, so that the algorithm can be used to solve MINLP problems or pure integer programming problems. Furthermore, the algorithm combines a local search heuristic (called acceleration) and a widespread search heuristic (called migration) to promote the search for a global optimum. Some numerical examples are tested to illustrate the performance of the proposed algorithm. Numerical examples show that the proposed algorithm converges to better solutions than the conventional MINLP optimization methods     

基于精确数值建模方法的自适应底座优化设计研究

建立自适应底座的精确数值模型,对底座进行优化设计研究。推导了帘线拉伸模量修正公式,给出了橡胶材料Mooney-Rivilin模型相关参数计算方法;建立了底座精确数值模型,得到附加载荷数值解并与试验对比验证;推导了附加载荷的积分表达式,获得了影响附加载荷的4个主要参数;以4个主要参数为设计变量,定义附加载荷匹配弹重为优化目标,基于试验设计方法(DOE)和神经网络算法(RBF),建立了底座数学近似模型,结合多岛遗传算法(MIGA)获得了底座的优化设计方案。结果表明：优化后底座的附加载荷峰值与弹重差值减小至原差值的9.1%,导弹俯仰、偏航方向角位移分别下降了8.2%、15.8%。     

TWO ALGORITHMS FOR GLOBAL OPTIMIZATION OF GENERAL NLP PROBLEMS

After a brief overview of the methods from the literature, two new algorithms (zooming and domain elimination) for global optimization of general NLP problems are introduced. Operations analysis and stopping criteria for the methods are discussed. Numerical evaluation of the methods is carried out using a set of mathematical programming test problems. Performance of the methods is compared with the Controlled Random Search (CRS) and the Simulated Annealing (SA) methods. The methods are superior to SA for the test problems, as they are more robust, efficient and accurate. The CRS is more efficient than the new methods; however, it is applicable to unconstrained problems only. Therefore, it is concluded that the new methods are useful for engineering optimization applications.     

结构随机分析的向量型层递响应面法

结构随机分析的传统响应面法通常用于显化表示某一随机响应量在结构特定点的涨落,属于标量型响应面法。为克服传统响应面法的局限性,提出了结构总体节点位移向量显化表示的层递响应面法,属于向量型响应面法。首先利用Karhunen-Loève级数线性展开随机刚度矩阵和节点荷载向量,并定义随机场均值处的刚度矩阵作为预处理器,进而生成预处理Krylov子空间;然后将结构总体节点位移向量在该空间中层递展开,建立向量型的层递响应面,有效保持了节点位移之间的协调性;最后分析了层递响应面与混沌多项式之间的关系,给出了样本点选取原则,建立了节点位移向量的均值和协方差计算公式。通过算例分析,验证了层递响应面法的高精度、全域性和快速收敛性。     

弹性力学问题自适应有限元及其局部多重网格法

针对平面弹性力学问题,利用最新顶点二分法,设计了一种不需要标记振荡项和加密单元不需要满足“内节点”性质的自适应有限元法;利用自适应加密过程中每层网格上只有局部单元需要加密这一特性,设计了一种基于局部松弛的多重网格法.数值实验结果表明：该文设计的自适应有限元法具有一致收敛性和拟最优计算复杂度,基于局部松弛的多重网格法对求解弹性力学问题自适应网格下的有限元方程具有很好的计算效率和鲁棒性.     

基于拓扑优化技术的升力面结构颤振抑制设计

导弹在高速飞行的过程中,会出现升力面颤振问题,可在短时间内导致导弹结构破坏甚至解体。为了改善升力面颤振特性,并让设计过程更加科学和高效,结合拓扑优化技术,开发了相应的优化程序应用于导弹升力面结构颤振抑制设计,获得比原始设计方案拥有更大颤振临界速度的升力面结构。所设计的方法具有如下优点：相比传统的配重等方法,从拓扑优化的新思路高效、准确地获得新构型;将拓扑优化的前沿技术应用到改善飞行器升力面颤振特性的实际工程问题上;将颤振这种复杂的流固耦合问题从结构动力学问题逐步简化为静力学模型,用拓扑优化方法解决。     

考虑作动器联接方式的结构形状控制优化

以压电材料梁式作动器控制复合材料层合板形状的设计问题为对象,研究有限个独立控制参数条件下的形状最优控制问题。研究了作动器与信号发生器(独立控制参数)联接关系的参数化描述方式,建立了作动器联接方式与控制参数协同设计的问题提法;针对优化问题中离散变量(联接方式描述参数)和连续变量(控制参数)共存的特点,建立了遗传算法和线性最小二乘(Linear Least Square,LLS)方法相结合的求解策略和方法;在响应分析所采用的有限元模型中,采用粘结层单元描述本体结构与作动器之间的连接。复合材料层合板形状控制设计的实例,验证了该文中建立的问题提法、优化模型和求解策略的有效性。     

基于ICM法的传热结构周期性拓扑优化设计

为了获得复合材料稳态导热性优化微结构构型,基于独立连续映射法,建立了周期性结构拓扑优化模型。在优化模型中,以重量最小化为目标、散热弱度为约束。采用一阶泰勒展开近似表达散热弱度约束函数。基于偏微分方程实施的图像过滤方法消除了棋盘格现象和网格依赖性问题。为了满足周期性约束,设计区域划分为若干相同大小的子区域,散热弱度贡献系数被重新分配。对比分析循环周期数、不同约束载荷工况下的拓扑优化构型。数值算例结果验证提出方法可以有效实现热传导下的复合材料微结构优化设计。     

有限元优化技术在散热器结构设计中的应用

利用有限元优化技术系统地研究散热器结构参数对散热量以及散热器芯体重量的影响规律。并以散热器重量最小为优化目标，在满足散热量要求的前提下，应用对1301015—A1型管带式散热器的结构参数进行了优化设计，并给出了优化设计前后的性能对比分析。     

结构可靠度分析中的改进响应面法及其应用

在以响应面法分析结构可靠度中,提出了一种区别于通常以插值点为中心展开生成样本点组的新方法:在求解过程中,用插值点逐步替代初始样本点组中距离验算点较远的点,目的是使所选取的样本点集中于真实极限状态曲面上的验算点附近,重新构成下一轮迭代所需的一组样本点,直至满足收敛条件。算例表明,采用新方法可使结构的分析次数显著减少,并改善了对非线性程度较高的极限功能函数求解可靠指标的收敛性。同时,将该方法应用于一座拟建自锚式斜拉-悬吊体系桥正常使用极限状态下的可靠度分析中。     

A TWO-LEVEL DECOMPOSITION METHOD FOR DESIGN OPTIMIZATION

In this paper, a two-level decomposition method for design optimization is proposed which is an extension of the model coordination methods. The method couples the global monotonicity analysis of the first-level subproblem(s) with an optimization method (single-level method) or the second-level problem. Three classes of problems are considered where in the first-level they have: (1) one subproblem with one local variable, (2) several subproblems with one local variable, and (3) several subproblems with several local variables. Some test results have been presented which shows the improved performance of the proposed approach over a conventional single-level optimization method.     

基于相场函数的压电复合材料俘能器拓扑优化设计

提出了一种基于相场函数的压电俘能器拓扑优化设计方法,通过设计俘能器的材料分布提高其工作效率。其中,利用相场函数描述俘能器上压电材料与基体材料(环氧基树脂)的分布,并建立以相场函数节点值为设计变量,以特定频率激励下俘能器的能量转换因子最大化为目标的拓扑优化模型。该文给出了目标函数和约束函数的灵敏度分析,并采用移动渐近线方法对优化问题进行求解。数值算例验证了所提出的数学模型与设计方法的可行性和有效性。     

结构动力鲁棒优化设计方法综述

如何提高结构动力学性能的鲁棒性,以减小各种不确定性因素对设计结果的影响是当前学术界和工程界研究和关注的热点问题之一。该文阐述了结构动力鲁棒优化设计的基本概念,从基于Taguchi的方法、基于多目标优化的方法和基于响应面建模的方法三个方面对结构动力鲁棒优化设计的研究进行了综述。以双转子为例,从结构的动力响应要求出发,采用响应面建模、多目标优化的方法进行了设计并与采用Taguchi方法得到的结果进行比较。结果表明,基于响应面建模、多目标优化的方法能够获得多个具有鲁棒性的设计方案,在处理具有不确定性的结构动力学问题时有着很大的应用潜力。最后,对当前方法和后续研究内容作了简要总结和展望。     

多级递阶工程结构系统抗地震设计的全局优化

多级递阶工程结构系统是复杂工程项目的主要工程结构依照功能逻辑关系所构成的多层次分支结构系列,表征了常见建设项目的一般性分布。以结构设防烈度为决策变量、地震灾害的多级设防为工程背景,建立了该系统全局优化的数学模型;考虑到系统的结构特点和目标函数的离散性,提出二个层次的优化计算方法,其中递级凝聚法用于大系统建模分析,改进的离散型共轭梯度法和改进的离散型 Lagrange 直接法分别执行具体的最优或次优化计算;算例讨论了复杂项目在抗震设防标准、工程造价和总投资分配方面的优化决策。上述概念、原则与方法为复杂工程的系统化设计、土木工程问题的科学决策提供了理论分析的基础。