优化算法在结构设计中的应用

发布时间：2017-06-04 15:07

  本文关键词：优化算法在结构设计中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 结构优化设计出现迄今已有近百年的历史，特别是在过去的四十年内，无论在其理论、算法还是在应用方面都取得了很大的进展。当前，结构优化的研究热点是拓扑优化。拓扑优化是指确定结构单元、节点及内部边界的空间连接方式。其要求结构工作性态良好，结构物有较高的安全度和可靠性。拓扑优化的主要困难在于其可行域的奇异性，该奇异性表现为可行域在某些点维数突变及可行域非连通(而奇异点往往难以被搜索到)，因此拓扑优化也可看作是在非凸可行域的全局最优问题。作为一个全局优化问题，数学规划对其没有特别有效的方法。本文将主要考虑桁架结构的优化问题，首先建立数学模型，即以桁架的横截面积为设计变量、以重量最小为优化目标，位移、应力等可靠性及基频为约束条件；最后，从工程实际出发，对结构系统的可靠性隐形约束进行等价显化处理，使之转化为常规的横截面积优化问题。 本文在研究优化算法发展过程的基础上，分析了典型的优化搜索方法：确定性算法如贪婪算法，随机搜索算法如模拟退火算法，人工智能算法如神经网络及遗传算法，根据桁架结构优化的特点，最终选择以遗传算法作为桁架结构优化设计的主要算法。遗传算法采用简单的编码技术来表示各种复杂的结构，并通过对一组编码表示进行遗传操作(再生、交叉和变异)和优胜劣汰的竞争机制来指导对问题的解空间进行搜索。同时，，遗传算法具有不用了解问题本身的全部特征的特点，仅仅通过体现进化机制的演化过程来完成对问题的求解。本文设计了一种基于邻域搜索的自适应演化算法：首先将种群中的个体按适应值分级，实现对种群中的优势个体与劣势个体的分割。其次，对个体进行邻域变异，即对优势个体进行小邻域变异，所得到的子代与父代相似度高，子代个体则能继承父代个体的较多特征信息，以获得优势继承，从而能快速逼近局部最优解；而对劣势个体进行大邻域变异，所得到的子代与父代相似度低，子代个体摒弃了父代较多的特征信息，获得突破，保证了种群多样性，以便发现新的局部最优解。这样，在利用优势个体确定变异方向的同时，借助劣势个体来搜索潜在的优势个体，使得个体变异既能沿着当前种群的优势方向前进，又能跳出局部最优，寻求全局最优，从而成功地克服传统达尔文演化策略的半盲目性。需要特别指出的是，通过该变异算子的作用，可以使算法稳定地收敛到全局最优解。
【关键词】：结构优化 桁架结构优化设计 遗传算法 邻域 自适应
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：O342
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 绪论7-11
• 1.1 引言7
• 1.2 工程结构优化中存在的几个问题7-8
• 1.3 现代优化算法8-9
• 1.4 本文研究的主要内容9
• 1.5 本文的组织结构9-11
• 第2章 结构优化设计11-15
• 2.1 基结构的智能自动建立问题12-13
• 2.2 关于桁架结构布局优化统一模型问题13
• 2.3 杆件的增减与拓扑形式的判别问题13-14
• 2.4 结构重分析的困难14-15
• 第3章 优化算法15-29
• 3.1 贪婪算法15-16
• 3.1.1 贪婪算法描述15
• 3.1.2 贪婪算法的结构15
• 3.1.3 实例15-16
• 3.1.4 缺点16
• 3.2 模拟退火16-17
• 3.2.1 模拟退火算法描述16
• 3.2.2 模拟退火的结构16-17
• 3.2.3 模拟退火算法的不足之处17
• 3.3 神经网络17-22
• 3.3.1 BP网络模型与结构18-19
• 3.3.2 BP网络的学习规则19
• 3.3.3 BP网络的训练过程19
• 3.3.4 BP网络的应用19-22
• 3.4 遗传算法22-29
• 3.4.1 遗传算法描述22-23
• 3.4.2 运算过程23-24
• 3.4.3 遗传算法的C语言描述24
• 3.4.4 计算实例24-29
• 第4章 一种基于邻域搜索的演化算法29-35
• 4.1 相关定义29
• 4.2 算法结构29-31
• 4.2.1 编码30
• 4.2.2 变异算子30-31
• 4.3 算法分析31-32
• 4.4 算例32-34
• 4.4.1 三杆平面桁架32-33
• 4.4.2 十杆平面桁架33-34
• 4.5 总结与展望34-35
• 参考文献35-38
• 本人在研究生学习期间发表的论文38-39
• 致谢39

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 王小勇;郭崇岭;胡永力;;空间同轴三反相机前镜身结构设计与验证[J];光子学报;2011年S1期

2 孙贤斌;薛涛;刘明;;混合遗传算法在结构优化设计中的应用[J];交通标准化;2007年01期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 王健;互插式连栋温室优化设计与通风试验研究[D];南京农业大学;2007年

2 黄章俊;复杂结构设计的优化方法和近似技术研究[D];东北大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前8条

1 郭欢;12500kN/3500kN 组合式油压机机架结构优化[D];燕山大学;2012年

2 江淮;基于遗传算法的预应力混凝土梁桥截面优化设计研究[D];昆明理工大学;2011年

3 方秀珍;复合材料层合板稳定性的遗传算法优化设计研究[D];东北大学;2006年

4 王小惠;钢桁架拱结构的截面优化与程序[D];山东大学;2007年

5 程鑫;三轴液压角振动台的结构优化与控制系统研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

6 万中;基于结点应力的结构优化技术研究[D];西安理工大学;2009年

7 薛文飞;基于遗传算法的开合屋盖被动碰撞阻尼器优化布置研究[D];天津大学;2010年

8 冯明益;车轮模锻液压机新式结构研究[D];燕山大学;2013年

  本文关键词：优化算法在结构设计中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：421321