框架结构形状优化理论与基于msc.patran26nastran软件的二次开发

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1、第1章绪论1．1结构优化的意义第1章绪论钱令希院士【l】早在20世纪70年代指出：结构优化是在认识世界基础上改造世界的一种手段。结构优化从本质上讲就是综合决策，是人类在认识和改造世界的实践过程中不断发展起来的一种先进的结构设计手段。结构设计的早期阶段由于不会计算根本就没有分析，同其他传统设计一样是经验或半经验的产品，从某种意义上讲，像工艺品或艺术品一样。原因在于这种结构设计跟自然力进行的优化一样，没有优化理论，只是一种自发的进化，设计的改进靠的是经验和才能，因而不是科学，正如钱令希院士指出的：“传统设计在某种程度上可以说是一种艺术，而优化设计才是科学”。自从

2、材料力学、结构力学和弹塑性理论相继出现以后，人们才用这些力学理论对设计方案进行分析、校核，若设计方案不满足约束条件，需要通过人工调整设计参数，重新进行分析、校核，直到满足约束条件。后来有限元理论的产生和电子计算机的应用，手算又发展到电算，使分析的适用范围得以扩展，效率得以提高。人们学会力学分析是结构设计的第一次飞跃，然而在这个飞跃中，力学只是作为校验的理论出现于结构设计之中。结构优化基于结构分析而又高于结构分析，是结构设计发展的第二次飞跃，结构优化理论的发展及其实际应用使得结构设计由结构分析阶段的消极设计变为主动的改善设计，这个飞跃使结构设计由艺术“传统设计

3、”上升为科学“优化设计”。人们可以根据使用和运行的要求、工艺和施：[的条件，依据规范的限制，依照力学的理论，建立数学模型，借助优化的方法求出最优设计来。获得最优设计方案的过程由一个缓慢的长期进化变成了短时间的优化设计阶段，结构设计也由结构分析阶段的任意性变成了结构优化阶段的最优性。进行结构设计既要把握结构分析的基础性，又要充分重视结构优化的先进性。结构优化是集计算力学、数学规划、计算机科学以及其他工程学科于一体的综合学科，是现代结构设计领域的重要研究方向，为人们长期所追求最优的工程结构设计尤其是新产品的结构设计提供了先进的工具。目前，结构优化设计的应用领域已

4、从最初的航空航天扩展到船舶、桥梁、汽车、机械、水利、建筑、电网布局、交通流控制设计、城市给排水管网设计、通讯网络设计等更广泛的工程领域，给工程界带来巨大的经济效益，再加上近年来有限元理论和方法不断的完善和成熟，计算机条件的不断提高和普及，人们对结构优化设计的研究和应用的呼北京工业大学1二学硕士学位论文声也随之高涨。无论国内还是国外，对结构优化这一现代技术的需求都有增长的趋势。如果一个新产品从初步的概念设计、外观形状到结构尺寸的设计都是通过一个优化设计软件来完成，只要给出边界条件和性能要求，就能很快得到满足性能要求的最佳产品设计方案，这样不但能为社会节省大量的

5、人力、物力，还可以缩短新产品的开发周期，为社会创造巨大的经济效益。1．2结构优化发展现状最优化方法起源于自然，是现代运筹学的一个重要分支，作为一门系统的学科，最优化在国外的起步与发展略早于我国，在结构设计领域，最优化的发展最为完善[引。早在1960年，Schmit提出把数学规划引进结构设计领域进行系统综合的想法[3】，首次构造了多工况作用下弹性结构优化设计的数学模型，从此结构优化设计才较快的发展为一门独立的学科。1968年，Prager等提出了连续型优化准N(COC)[4-5】，Venkayya等发展了离散型优化准则(DOC)【6】。1974年，Schmit

6、等提出了结构优化的近似概念【_71，主要包括设计变量连接、删除无效约束和有效约束的泰勒展开。1979年，Fleury等首先把对偶理论引入到结构优化问题上来【8】。1980年，Schmit和Fleury提出了近似概念和对偶方法结合的算法【9。01。1991年，Rozvany和Zhou将COC理论的思想扩展为迭代的COC算法【111，后来发展为新型的优化准则类算法DCOC[12“31。国内的结构优化设计也取得很大的发展。1973年，在中国科学院力学规划座谈会上，钱令希作了题为“结构力学中最优化理论与方法的近代发展”的学术报告，引起了全国力学界和工程界对结构优化的

7、关注和响应。1980年，钱令希等人引入倒数设计变量，导出了含Lagrange乘子的设计变量迭代模式，还将非线性规划和准则设计两种方法结合起来【14】，把应力约束和变位约束分开来处理，使结构重分析的次数有了进一步的缩减。夏人伟等人研究了以函数的二阶近似为基础的对偶算法【15】，并提出了一种杆系结构几何优化的广义中间变量近似方法【16】。郭鹏飞等以满应力设计思想为基础，提出了适用于离散变量结构优化设计计算的拟满应力设计方法，克服了满应力设计方法不能直接用于离散变量结构优化设计计算的不足[17]。隋允康应用两点有理逼近改进了牛顿法和对偶方法[18-19】，利用曲线

8、寻优的理论找到了较直线寻优更有效的近似解析方法及其逼