开题报告基于ANSYS的钢框架结构优化设计研究与软件开发

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1、结构工程硕士论文开题报告研究生：白闰平指导教师：韩克平基于ANSYS的钢框架结构优化设计研究与软件开发报告内容结构优化设计的概念结构优化设计的研究现状课题的提出研究内容结构优化设计的概念随着我国建筑业的迅速发展，工业与民用建筑中大量采用钢结构，使得建筑用钢量逐年增加。因而如何合理利用和节约建筑钢材引起了越来越广泛的关注，进行结构优化设计就是其中的一条有效途径。人们从事工程结构设计时，总是要求在一定的技术和物质条件下，取得一个技术经济指标最佳的设计方案，这就是优化设计的问题。结构优化设计是一种集专业设计理论、数学

2、最优化方法和计算机技术于一体，使结构设计方案合理化、科学化、满意化的设计方法，是相对于传统的结构设计而言的。传统的结构设计是设计者按设计要求和设计者的实践经验，参考类似的工程设计，通过判断去创造设计方案，然后进行力学分析或按规范要求进行强度、刚度、稳定性等方面的安全校核，再修改设计，这一过程工作繁复，效率低，而且由于时间和设计者经验的限制，确定的最终方案往往不是理想的最优方案，而仅为可行方案。结构优化设计则把力学概念和优化技术有机地结合起来，根据设计要求，使参与计算的量部分以变量出现，在满足规范和规定的前提下，

3、形成全部可能的结构设计方案域，利用数学手段在域中找出满足预定要求的，不仅可行而且最优的设计方案。结构优化设计与传统的结构设计采用的是相同的基本理论，遵守的是相同的设计规范，因而具有相同的安全度。同时，两者也有一样的设计过程，所不同的是，传统设计过程的经济性缺乏衡量的标准，而优化设计是在一个明确特定指标(如结构的体积最小、重量最轻、造价最省)下来说明结构的经济性传统设计的设计、校核关系是松散的，且一般仅反复进行两三次即停止，而优化设计则是按一定的数学模式将两者紧密地联系在一起，即将设计问题转化为严格的数学规划问题

4、求解，可利用计算机连续快速做出方案比较，从数百个方案中，找出最优设计方案，因此结构优化设计是使结构同时达到经济与安全的有效方法，是结构设计的新发展和最终目的。结构优化设计的研究现状结构优化设计思想的出现可追溯到1854年麦克斯.威尔提出的基本原理和1904年米切尔发展和应用的布局理论(米切尔桁架)。20世纪50年代以前，用于解决最优化问题的数学方法仅限于经典微分法和变分法，称为经典优化方法，结构优化设计主要解决的工作有:高度理想化框架的最小重量布局;基于强度分析或结构指标等方法的结构构件优化设计;基于塑性破化或

5、极限分析设计原理的简单结构体系最轻设计等。在50年代末，皮尔逊提出现代优化设计的三个重要特点:结构分析和结构优化的集成方法;将不等式约束最小化问题转化成一个或多个无约束最小化问题;通过变量转换方法减少数值计算的容量。1960年，施密特用数学规划来解决结构优化设计并取得巨大成功，成为优化方法的理论基础。随着计算机的出现、发展与普及，促进了优化技术的日趋完善，在理论、算法和应用等方面都取得了长足的进展。同时，有限元分析技术作为一种运用计算机工具的数值分析方法，也取得了巨大的成功，可以使复杂的结构得到比较精确的计算。

6、将有限元结构分析与数学规划法相结合，是结构优化设计现代化的一个方向，从有限元法出发形成优化设计所需要的约束条件，使许多难以形成优化设计数学模型的工程设计问题得到了较好的描述，从而把结构优化设计的研究向前推进了一大步，吸引了众多学者的兴趣。但是，目前结构优化设计的发展偏重于理论和方法的研究，实际应用远远落后于理论的进展。在工程设计中，实际结构问题往往十分复杂，涉及各方面因素，比如环境、荷载、几何特征、材料、施工、费用、可持续发展等，在建立数学模型时，通常只能考虑一些主要因素，忽略一些次要因素以简化计算，因此优化设

7、计的价值与有效性取决于所用的数学模型和相应的优化方法，特别是与所选用的设计变量、所考虑的约束条件和规定的目标或评价函数有密切的关系，优化设计提供的最优解只能是一个相对的最优结构。其次，工程设计人员对结构进行优化设计的意识不够，设计者往往寻求的是满意解而不一定是最优解，而且，要进行结构优化设计，必须了解如何从实际问题中提取合适的模型，而由于实际问题的多样性和复杂性，且缺乏具体的系统的方法、规则以及简化的尺度，只有设计者熟悉结构优化理论与方法并加深理解，才能掌握有关辨识问题、模型抽象、选择合适算法与求解的技能，因此

8、需要一定的发展时间。此外，优化设计需要综合各方面的因素、要求和约束，以产生一个尽可能理想和满意的设计方案，其复杂和困难程度比单纯的设计分析大得多，计算工作量也有巨大的差别，因而需要高速的计算机和完善的软件支持。课题的提出基于上述原因，为了获得最优结构设计方案、合理利用和节约材料，提高设计效率，进行结构优化设计方法的应用研究和软件开发，是具有较大实用价值和经济效益的。ANSYS软件是美国