机械结构优化设计的积分型全局最优方法研究

发布时间：2017-06-08 13:17

  本文关键词：机械结构优化设计的积分型全局最优方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文旨在将一类积分型最优性条件与Monte Carlo方法相结合,提出一种无需进行灵敏度分析且可以求得全局最优解的机械结构优化设计方法。具体研究内容包括：首先,研究了积分型最优性条件的Monte Carlo和拟Monte Carlo数值实现方法；其次,研究了结构分析代理模型Kriging模型,以减少结构优化过程中结构分析的计算量；最后,将所提方法与通用结构分析软件ANSYS相结合,利用二次开发技术,建立了一个适用于具体工程实际问题的结构优化设计程序。首先,针对源自数学规划领域的一类积分型最优性条件,提出利用Monte Carlo进行数值积分求得最优化问题的全局最优解：其次简述了Monte Carlo方法的基本思想,并详细讨论了Monte Carlo方法中随机数的产生方法,通过实例比较,确定了一种效果较好的随机数产生方法；然后讨论了具体数值计算过程中可能遇到的几个困难,并提出解决方法,最后通过几个典型数学算例和桁架结构优化算例对所提方法的有效性和可靠性进行了验证。其次,由于工程实际问题的结构分析往往需要耗费巨大计算量,而利用Monte Carlo方法进行结构优化设计时,又需要进行多次抽样,即多次结构重分析,这就导致本文所提方法的计算量急剧增加。为了缓解该问题,本文研究利用kriging代理模型代替结构分析,以减少结构重分析的计算量。然后,介绍了有限元分析软件ANSYS二次开发的实现方法和MATLAB与ANSYS混合编程的方法和技巧。通过APDL二次开发的方法能够实现ANSYS的重分析是MonteCarlo方法的实现不可或缺的部分。最后,针对工程中常见的桁架、刚架和连续体问题,利用本文所提到的基于积分型全局最优性条件的Monte Carlo优化方法,从结构尺寸优化设计、形状优化设计以及尺寸优化与形状优化混合优化设计三个层次进行算例求解。计算结果表明,本文所提方法均能够正确给出问题的全局最优解,进而验证了本文所研究方法的通用性和可行性。
【关键词】：机械优化设计 积分型最优性条件 Monte Carlo方法 Kriging代理模型 ANSYS
【学位授予单位】：天津科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH122
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 课题背景及研究意义11-12
• 1.2 结构优化设计方法发展历史12-14
• 1.3 机械结构优化设计的应用现状14
• 1.4 本文主要研究工作14-17
• 2 基于积分型全局最优性条件的Monte Carlo优化方法17-50
• 2.1 引言17
• 2.2 Monte Carlo方法简介17-18
• 2.3 基于积分型全局最优性条件的Monte Carlo优化方法18-19
• 2.4 Monte Carlo随机数的产生19-25
• 2.5 Monte Carlo积分优化方法的参数化实现25-26
• 2.5.1 Monte Carlo积分方法的基本算法25
• 2.5.2 Monte Carlo积分优化方法的参数化实现过程25-26
• 2.6 Monte Carlo方法的改进26-28
• 2.6.1 指数溢出的改进26
• 2.6.2 全局最优解不唯一的改进26-27
• 2.6.3 控制参数P的选取27
• 2.6.4 减小撒点区间区间的改进27-28
• 2.7 数值算例验证28-29
• 2.7.1 Beale problem28
• 2.7.2 Bohachevsky 2 problem28-29
• 2.7.3 Booth problem29
• 2.7.4 Colville problem29
• 2.8 桁架算例验证29-49
• 2.8.1 10杆桁架29-32
• 2.8.2 25杆桁架32-35
• 2.8.3 13杆桁架35-38
• 2.8.4 21杆桁架38-40
• 2.8.5 39杆桁架结构40-43
• 2.8.6 10杆桁架的混合优化43-46
• 2.8.7 18杆桁架46-49
• 2.9 本章小结49-50
• 3 Kriging代理模型50-66
• 3.1 引言50
• 3.2 Kriging代理模型的介绍50-55
• 3.3 Kriging代理模型的组成55-59
• 3.3.1 构建模型55
• 3.3.2 预测模型55
• 3.3.3 回归模型55
• 3.3.4 相关模型55-57
• 3.3.5 取样方法57-59
• 3.4 实例验证59-65
• 3.4.1 算例159-60
• 3.4.2 算例260-62
• 3.4.3 算例362-63
• 3.4.4 算例463-65
• 3.5 本章小结65-66
• 4 有限元软件ANSYS的二次开发66-71
• 4.1 引言66
• 4.2 有限软分析软件ANSYS及其二次开发66-67
• 4.3 ANSYS二次开发的必要性67
• 4.4 基于APDL语言的二次开发设计过程67-70
• 4.4.1 MATLAB调用ANSYS并实现数据传递68-69
• 4.4.2 相关参数的设置69
• 4.4.3 调用结构分析宏程序69-70
• 4.4.4 ANSYS的数据传递70
• 4.5 ANSYS二次开发在结构优化设计中的应用研究70
• 4.6 本章小结70-71
• 5 数值算例与分析71-89
• 5.1 引言71
• 5.2 两端固定梁的形状优化71-75
• 5.3 底梁设计问题75-78
• 5.4 平面简支梁结构78-82
• 5.5 三角平板优化设计82-84
• 5.6 偏心载荷板84-86
• 5.7 72杆桁架86-87
• 5.8 本章小结87-89
• 6 结论89-90
• 7 展望90-91
• 8 参考文献91-97
• 9 致谢97

【参考文献】

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1 张振伟;姚卫星;周琳;张华;;桁架结构尺寸和形状协同优化方法研究[J];航空工程进展;2012年02期

2 隋允康;高峰;龙连春;杜家政;;基于层次分解方法的桁架结构形状优化[J];计算力学学报;2006年01期

3 张崎;李兴斯;;基于Kriging模型的结构可靠性分析[J];计算力学学报;2006年02期

4 刘克龙;姚卫星;穆雪峰;;基于Kriging代理模型的结构形状优化方法研究[J];计算力学学报;2006年03期

5 秦东晨,叶元烈,陈丽华;轻型货车EQ1060F车身的结构优化设计研究[J];机械强度;2000年01期

6 刘扬;杨敏嘉;葛增杰;;石油钻井井架结构优化设计[J];石油学报;1986年02期

7 崔苗;杜文风;;ANSYS的APDL参数化建模[J];微计算机应用;2006年05期

8 李兴斯;李建宇;;接触力优化设计的熵正则化方法[J];应用力学学报;2006年04期

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1 赵洁;机械可靠性分析的响应面法研究[D];西北工业大学;2006年

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