结构优化设计的一般概念PPT课件

优化是工程上提出的概念 数学上对应的概念是规划 管理上对应的概念是运筹
典型问题： 田忌赛马 旅行商问题 军事物资调配 生产计划 物流 工程的优化设计 炒股
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物理 －事理－人理
物理
对象与 客观物质 内容 法则规则
焦点 是什么？ 功能分析
原则 诚实 追求真理
所需知 自然科学 识
事理
组织、系统 管 理和做事道理
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飞机舱门连接铰链结构拓扑优化
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1.4 结构优化的主要方法
有限元法(或边界元法…)和优化方法的结合 成为近代结构优化的基础
60年代，有限元方法和运筹学得到快速发展，和计算 机技术结合，人们有可能利用计算机在相对来说比较短 的时间内完成一个结构设计方案的分析、获得结构性能 对设计参数的灵敏度并指导设计修改，结构优化成为设 计的重要工具。
WOPT=685Kg WOPT=505Kg
尺寸优化
只改变元件的截面尺 寸, 外部结构型式不变
形状优化
以节点坐标作为形状 变量, 可改变结构外形
拓扑优化
节点可增可减, 坐标位 置也可改变.
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结构尺寸优化
输电塔优化设计
桥梁优化设计
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结构形状优化
输电塔形状优化
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初始设计以及设计参数
u2 u1 u6 u5
1978年计算力学作为力学学科12个发展方向之一列入 我国力学规划。结构优化设计因为其重要性，成为 计算力学主攻方向之一。在这一阶段国内学者提出 了序列二次规划等方法，形成了若干可处理多约束、 多工况、多单元的大型结构优化软件，如HAJIF, DDDU, YIDOU等，并应用. 于一批工程实际问题。 22
u4 u3
u8
u7 2789 N
5066 N
应力云图
最优设计及应力分布
最小化结构重量
s.t.
max 800 MPa
结构重量由0.878kg 减为 0.421 kg 减重达到48%！
厚度 = 0.3 cm
材料为钢 E = 207 GPa and = 0.3 .
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结 构 拓 扑 优 化
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初始设计 分析校核 修改设计 重新分析 优化?
有限元方法
灵敏度分析 近似重分析 优化方法
收敛准则
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有限元分析 与优化的关系
从有限元分析角度----每个有限单元代表一个受力单元。整 个结构的力学特性是由所有单元的力学特性综合得来；
从优化设计角度----每一个有限单元就是一个设计单元，改 变其主要尺寸(设计变量)，将改变其力学特性。
3、启发式方法（模拟退火算法，遗传算法，神 经元网络）
已经有不少软件包可供使用
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结构优化算法的基本思路
关键： 确定搜索方向（往哪走.）以及前进步长（走多少）20
准则法: 将优化问题转化为寻求满足准则的解
Kuhn-Tucker准则为理论上的最优化准则 (最优解满足的必要条件)
m
n
f igi jhj
i 1
j 1
i 0, i gi 0, i 1,2.,,, m
j 0, jhj 0, j 1,2,...n
人们还建立很多依据物理直觉或经验的准则
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1.6 结构优化的主要软件
在60，70和80年代，研究工作集中在结构尺寸和形状 优化，形成了规划法、准则法和近似概念法等结构 优化方法，建立了灵敏度分析的解析法、半解析法、 差分法等多种方法，和有限元分析方法相结合，出 现了一批应用软件。特别，近年来，相当一批通用 有限元程序，如NASTRAN，ANSYS，具备了一定 的优化功能。出现了以结构优化见长的Altair软件；
可以在设计中修改的、描述结构的尺寸,形状,使用材 料和拓扑；需要将工程设计参数化。可以是离散变量 或连续变量；
把结构优化问题提成数学规划问题始于Schmit,L.A(1976)
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1.3 结构优化设计的分类
根据设计变量类型，结构优化可划分为结构尺寸、形状、 拓扑和类型优化几个不同的层次.
尺寸优化 形状优化 拓扑优化 设计者智能活动
荣见华，郑健龙，徐飞鸿编著 结构动力修改及优化 设计 2002.10
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第一章 结构优化设计的一般概念
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什么是优化？
从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学 中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设 计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定 的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。
优化设计的层次
结构尺寸优化用以确定杆系结构中的杆件最优断面积；板 壳结构的最优厚度；在优化过程有限元模型不变；
结构形状优化用以确定桁架的最优节点位置，结构边界和
孔洞的形状；在优化过程中，有限元的单元形状和网格剖
分需要调整
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三种不 同的优 化概念
WOPT=1136Kg WOPT=756Kg WOPT=401Kg
怎样做？ 逻辑分析
协调 追求效率
管理科学 系统科学
人理
人、群体、关系 为人处事的道理
最好怎么做？可 能是？ 人文分析
讲人性、和谐 追求成效
人文知识 行为科学
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1.1 结构优化设计含义
提出结构的初始设计 确定给定设计的性能（力学分析往往最主要）
判定设计的优劣 改进设计,重复上列过程直到满意为止
传统的设计由于受到时间、人力和费用的限制，往往不 能反复迭代修改；
共同点----都是以有限单元为对象; 不同点----有限元分析只需要一次结构分析就完成了;
结构优化设计需要多次迭代才能完成。
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1.5 结构优化主要算法
1、准则法：直接求解最优化必要条件，由于这 些条件往往是非线性等式-不等式方程组，需 要迭代求解；
2、数学规划法（最速下降法（瞎子下山法，摸 着石头过河），梯度投影法，罚函数法，序列 无约束优化方法，0.618法，牛顿法，单纯形 法、复形法等）
结构优化设计
南京航空航天大学 飞机设计技术研究所
金海波
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参考书目
wk.baidu.com
丁运亮编 结构优化设计 航空专业教材编审组 1984.7
程耿东 工程结构优化设计基础 水利电力出版社 1984.3
王光远 董明耀编著 结构优化设计 高等教育出版 社 1987.10
李炳威编著 结构的优化设计 科学出版社 1979.2
在我国，很多企业往往是将引进设计简单放大；
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1.2 结构优化的三个基本要素
目标函数:
可以是结构建造成本、结构重量、结构寿命、可靠性、 鲁棒性、结构性能（振幅，加速度）等;单目标多目标; 线性非线性;
约束条件:
可以是对结构性能、尺寸、重量和成本的限制；可以 是等式或非等式约束；线性非线性;
设计变量: