基于修正巴兰金理论的结构拓扑优化方法

为了探索具有工程实用性的结构优化新方法,应用渐进结构优化方法(ESO)对结构进行基于应力的拓扑优化.通过对巴兰金强度理论的修正,用单轴拉压极限应力比和单元主应力衡量单元应力水平,建立了一种基于修正巴兰金理论的渐进结构优化方法.算例表明,该方法可用于二维和三维结构的拓扑优化.     

基于应变能的结构拓扑优化设计

基于在优化结构边界和孔洞周围附加人工材料的思路，结合传统渐进结构优化法和单元应变能分析，研究了基于应变能的结构拓扑优化方法，给出了结构拓扑优化的基本原理，导出了具有单元增、删功能的渐进结构优化基本公式。对具有各向同性的均质材料的桥墩和桥梁结构进行了仿真设计，结果显示结构的最大与最小应变能的差距显著减小，其拓扑解类似于工程中出现的结构，表明该方法的基本原理可行、有效。     

某越野车车架拓扑优化设计

拓扑优化技术能在给定的设计空间内寻求最佳的材料分布。根据某越野车车架的实际尺寸建立其三维拓扑优化设计空间,以车架质量分数为约束条件,车架柔度最小为目标函数,对车架的弯曲工况进行了单工况拓扑优化设计,并针对这一工况选择不同的优化参数进行了多次优化计算,得到了一组相似的拓扑结构,分析并选择合适的拓扑优化参数。应用得到的拓扑优化参数,基于折衷规划的多目标拓扑优化设计方法,针对汽车使用情况选择合适的工况权重因子,对车架进行了3种工况下的多目标拓扑优化设计研究。     

连续梁体结构拓扑优化的密度惩罚法

针对桥梁结构优化设计中存在的问题,而提出的一种基于密度惩罚法的连续体结构拓扑优化问题的优化准则算法．经Matlab实例试算表明,可得到满意的优化结果,因而具有一定的应用推广价值。     

考虑二阶效应的空间刚架结构布局优化

针对三维空间刚架布局优化问题,以七自由度节点梁柱单元二阶弹性理论推导考虑构件几何非线性和截面翘曲变形的非线性刚度矩阵,通过整合梁柱单元非线性刚度矩阵对刚架结构进行整体的二阶弹性分析,建立满足刚架结构强度、刚度和稳定性要求的布局优化数值模型;并针对复杂刚架结构布局优化数值求解问题,改进遗传搜索算法（GA）,提出可靠拓扑和引导型遗传算法双向控制方法（KLGA）. 该方法一方面将拓扑变量从布局设计变量中分离,以构件重要度评定结构可靠拓扑变量组合,再与设计变量整合;另一方面将结构特有的引导信息加入算法中,为GA提供全局最优解的指引路径. 通过两种典型的刚架算例表明二阶效应模型和KLGA算法的可行性和有效性,例如算例2中基于二阶效应模型的KLGA得到的最优结构质量比GA减轻了24.5%,波动幅度从9.61%提升到1.39%,算法更加稳定.      

考虑UIC强度准则的轨道车轮辐板渐进结构拓扑优化方法

为了提高轨道车轮的结构性能, 利用渐进结构拓扑优化方法(ESO)建立了轨道车轮的结构优化模型; 以双S型轨道车轮为设计蓝本, 分析了轨道车轮的辐板设计域, 提出了轨道车轮在多工况作用下的渐进结构拓扑优化方法; 介绍了利用渐进结构拓扑优化方法实现结构应力均匀化的优化思路; 根据《整体车轮技术检验》(UIC 510-5:2003)标准, 分别考虑了轨道车轮在直线工况、曲线工况和道岔通过工况, 不仅获得这3种典型工况共同作用下的拓扑优化结构, 而且还获得了3种典型工况依次作用下的6种拓扑结构; 对比了优化前后车轮辐板的应力, 并利用有限元工具验证了优化后车轮的辐板应力特性, 证明渐进结构拓扑优化方法的正确性和有效性。研究结果表明: 利用渐进结构拓扑优化方法对轨道车轮的拓扑优化是适用的; 在车轮质量不增加的前提下, 优化后车轮辐板的厚度增加且不等厚, 有效地减小应力集中, 降低结构应力; 对比原双S型车轮, 优化后6种车轮模型的结构性能均有所提升, 分别提高了16.6%、20.7%、22.5%、21.3%、20.1%和19.5%, 其中, 方案3的优化车轮在3种工况下辐板处的最大结构应力分别降低了4.0%、14.5%和6.7%。研究有助于轨道车轮结构强度的提高, 并对多工况耦合作用下轨道车轮结构优化具有重要的参考价值。      

考虑航速优化的班轮航线网络设计

航速大小对于班轮的航线设计、配船类型和数量,以及货物的选择都会产生影响,本研究将航速作为变量,以总利润最大为目标,建立了班轮航线网络设计的非线性混合整数规划模型.根据模型的特点,提出一种基于变动需求的启发式算法,将模型进行分解和转化.通过算例的计算及与其他方法的对比表明,本研究方法能得到更优的航线网络.另外,当市场需求、运价和燃油价格等因素变化时,采用本研究的模型和算法,能对航线网络进行更有效地调整.     

粒子群算法在结构非概率可靠性优化中的应用

为了解决实际工程中不确定性结构的可靠性优化问题,建立了以结构非概率可靠性指标和横截面积为约束条件、最小化结构质量为目标的优化模型.利用非概率集合理论中的凸模型方法,求出可靠性指标,提出了基于粒子群算法的结构非概率可靠性优化方法.算例分析结果表明:与参数取平均值时的结构确定性优化方法相比,容许非概率可靠性指标为零时的结构非确定性优化方法得到的结构质量误差仅为0.009%.随着容许非概率可靠性指标的增大,桁架结构横截面积及质量也相应增大;当容许非概率可靠性指标为1.5时,与梯度投影法优化结果相比,利用该方法优化后的结构质量减少了0.323%.     

Adaptive Multi-Objective Optimization of Bionic Shoulder Joint Based on Particle Swarm Optimization

To get the movement mode and driving mechanism similar to human shoulder joint, a six degrees of freedom (DOF) serial-parallel bionic shoulder joint mechanism driven by pneumatic muscle actuators (PMAs) was designed. However, the structural parameters of the shoulder joint will affect various performances of the mechanism. To obtain the optimal structure parameters, the particle swarm optimization (PSO) was used. Besides, the mathematical expressions of indexes of rotation ranges, maximum bearing torque, discrete dexterity and muscle shrinkage of the bionic shoulder joint were established respectively to represent its many-sided characteristics. And the multi-objective optimization problem was transformed into a single-objective optimization problem by using the weighted-sum method. The normalization method and adaptive-weight method were used to determine each optimization index’s weight coefficient; then the particle swarm optimization was used to optimize the integrated objective function of the bionic shoulder joint and the optimal solution was obtained. Compared with the average optimization generations and the optimal target values of many experiments, using adaptive-weight method to adjust weights of integrated objective function is better than using normalization method, which validates superiority of the adaptive-weight method.     

内河船舶避碰路径优化研究

内河船舶碰撞事故导致重大生命及财产损失，已经引起人们的高度关注．提出一种内河船舶自动避碰路径优化的研究方法，建立了内河船舶操纵运动数学模型，将遗传算法运用到内河船舶避碰路径选优中，提出内河船舶避碰路径优化准则，并构建一种考虑内河航道中运动船舶及障碍物的适应度函数．优化结果表明了本方法的可行性。     

桥梁结构非线性地震响应极值分布的估算方法

为了研究近断层脉冲地震作用下桥梁非线性地震响应极值分布，进行小失效概率下的桥梁动力可靠度精确计算，提出了一种有效的近断层脉冲地震作用下桥梁结构非线性地震响应极值分布分析方法. 首先考虑桥梁结构的非线性和地震动的不确定性，采用拉丁超立方抽样对近断层脉冲地震动随机参数和结构随机参数进行随机抽样，通过模拟的高频地震动均方值和与精确值的相对误差确定出所需要的样本数量；其次以合成的近断层脉冲地震动作为地震激励，通过时程分析对结构非线性动力方程进行求解，从而得到结构非线性地震响应极值样本，再采用改进的分数阶矩最大熵原理获得结构非线性地震响应的极值分布；最后通过非线性单自由度系统和三层非线性剪切框架验证了该方法的有效性. 研究结果表明:该方法不仅能够有效的模拟近断层脉冲地震作用时，桥梁结构与地震动双重不确定性影响下的动力响应极值分布，更能在兼顾效率和计算精度时，精确估计桥梁结构非线性地震响应极值的尾部分布，能够为桥梁结构非线性动力可靠度评估提供一种有效的途径.      

平面冗余并联机器人的综合性能优化设计

对平面二自由度冗余并联机器人的综合性能优化设计进行了探讨.基于运动学模型,给出了该机器人的雅可比矩阵和最优拓扑构形,分析了结构参数对工作空间和奇异性的影响规律.提出了衡量机器人运动精度、力传递性能、结构刚度和工作空间利用率的综合评价指标,建立了以综合评价指标为目标函数,以任务空间和无奇异位形为约束条件的数学优化模型,并采用自适应遗传算法求解.研究为同类机器人的优化设计提供了参考.     

基于多因素分析的抗震结构阻尼耗能研究

阻尼耗散能量是基于能量性能抗震设计方法的重要指标,需要深入研究不同的地震动和结构特征参数下阻尼耗能的分配特征.以3种场地下的214条近断层地震记录为输入,以简化为理想弹塑性（EPP）、双线性（BL）和刚度退化（SD）滞回模型的单自由度体系的抗震结构在大量近场地震作用下的阻尼耗能分析为基础,从地震动特征和结构特性参数两种角度分别定量讨论了多种因素对结构阻尼耗能比值谱的影响规律.分析表明,场地土类型和断层距对阻尼耗能比的影响并不明显,持时和地震动峰值加速度在不同的周期和延性条件下对阻尼耗能分布比例有一定程度的影响,决定阻尼耗能分配比例的主要因素是结构阻尼、变形延性系数和结构自振周期.通过与计算结果的对比,指出了Akbas所建议计算方法存在的不足.研究成果对于探讨提高阻尼耗能的有效方法,发展基于能量原理的结构性能抗震设计方法具有参考价值.     

Minimum resistance ship hull uncertainty optimization design based on simulation-based design method

In the ship hull optimization design based on simulation-based design (SBD) technology, low precision of the approximate model leads to an uncertainty form of optimization model. In order to enable the approximate model with finite precision to maximize the effectiveness, uncertainty optimization method is introduced here. Wave resistance coefficient approximation model, built by back propagation (BP) neural network, is represented as a form of interval. Afterwards, a minimum resistance optimization model is established with the design space constituted by principal dimensions and ship form coefficients. Double-level nested optimization architecture is proposed: for outer layer, improved particle swarm optimization (IPSO) algorithm with learning factor improvement strategy is used to generate design variables, and for inner layer, modified very fast simulated annealing (MVFSA) algorithm is used to solve the objective function interval with uncertainty region. Cases calculation proves the effectiveness and superiority of uncertainty optimization method for ship hull SBD optimization design, thus providing a good way for finding optimal designs.     

基于HyperWorks的车门外把手拓扑优化设计

拓扑优化技术的应用在汽车零部件结构优化和轻量化设计、车身结构设计中有着十分重要的现实意义。本文基于HyperWorks的拓扑优化技术探讨了车门外把手轻量化的可行性。根据外拉式车门外把手的受力与约束情况,对某轻型载货车门外把手原始结构进行了静力分析,并建立了外把手的拓扑优化概念模型;在外把手拓扑优化结果的基础上,对车门外把手进行了二次设计;将二次设计后的车门外把手新结构与原始结构进行了对比分析,结果表明:新结构在维持原有强度、刚度基本不变的情况下,质量较原始结构减轻了28.79%。     

电动物流车蓄电池支架优化设计

创建组合工况,采用加速度加载的仿真方法,基于变密度法和“包裹面”方案对电动物流车蓄电池支架进行结构拓扑优化,并通过尺寸优化对支架进行轻量化设计,得到符合性能和轻量化要求的结构设计方案。仿真结果表明,优化后的蓄电池支架整体刚度提高了10.5%,总质量降低了29.2%.     

基于Pareto蚁群算法的船舶风险规避路径优化

船舶在海上航行时,一直面临着海上运输风险的威胁,为了降低海上运输风险同时考虑船舶经济效益,本文建立了以运输风险最小和航行成本最小的双目标路径优化模型,实现船舶风险规避.运用栅格法构建环境模型,为相应的栅格路径赋予航行成本和运输风险,并设计了一种基于Pareto最优解集和NSGA小生境方法的多目标蚁群算法.以印度洋海域的2条航线为案例,以经典单目标蚁群算法为对比,验证了模型和算法的有效性.结果表明,该模型和算法在解决船舶风险规避路径优化问题上具有良好的效果,能为决策者制定船舶海上运输风险规避路径提供决策参考.     

非定常风荷载下空间结构的动力优化

目前对风敏感结构的抗风优化设计集中于高层建筑,很少针对大跨空间结构.基于风致动力响应分析对广州国际会展中心的屋盖结构进行优化设计.首先介绍非定常风场中空间结构动力优化的方法,然后基于风洞试验获得非定常风荷载并进行风振响应计算,最后进行以钢管内径为设计变量、以强度和位移为约束条件的优化设计.研究结果表明,基于ANSYS一阶算法的抗风优化效率较高,使屋盖总体积降低了约30％,构件应力降低了26％,且振动响应更加平稳.因此,通过抗风优化设计不仅降低了工程造价,且使各构件的受力更加协调,提高了结构整体刚度.     

Containership structural design and optimization based on knowledge-based engineering and Gaussian process

Knowledge-based engineering （KBE） has made success in automobile and molding design industry, and it is introduced into the ship structural design in this paper. From the implementation of KBE, the deterministic design solutions for both rules design method （RDM） and interpolation design method （IDM） are generated. The corresponding finite element model is generated. Gaussian process （GP） is then employed to build the surrogate model for finite element analysis, in order to increase efficiency and maintain accuracy at the same time, and the multi-modal adaptive importance sampling method is adopted to calculate the corresponding structural reliability. An example is given to validate the proposed method. Finally, the reliabilities of the structures＇ strength caused by uncertainty lying in water corrosion, static and wave moments are calculated, and the ship structures are optimized to resist the water corrosion by multi-island genetic algorithm. Deterministic design results from the RDM and IDM are compared with each separate robust design result. The proposed method shows great efficiency and accuracy.     

Research on the Optimization Approach for Cargo Oil Tank Design Based on the Improved Particle Swarm Optimization Algorithm

Based on the improved particle swarm optimization(PSO) algorithm,an optimization approach for the cargo oil tank design(COTD) is presented in this paper.The purpose is to design an optimal overall dimension of the cargo oil tank(COT) under various kinds of constraints in the preliminary design stage.A non-linear programming model is built to simulate the optimization design,in which the requirements and rules for COTD are used as the constraints.Considering the distance between the inner shell and hull,a fuzzy constraint is used to express the feasibility degree of the double-hull configuration.In terms of the characteristic of COTD,the PSO algorithm is improved to solve this problem.A bivariate extremum strategy is presented to deal with the fuzzy constraint,by which the maximum and minimum cargo capacities are obtained simultaneously.Finally,the simulation demonstrates the feasibility and effectiveness of the proposed approach.