桿系結(jié)構(gòu)基于可靠性的拓?fù)鋬?yōu)化-研究

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1、大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論1．1研究背景及意義結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為一種基于計(jì)算機(jī)的快速自動(dòng)設(shè)計(jì)過程，可以在滿足規(guī)范等約束條件下得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。它的實(shí)際應(yīng)用相當(dāng)廣泛，涉及到建筑設(shè)計(jì)、航空航天、交通運(yùn)輸、國(guó)防等重要領(lǐng)域，因此受到政府部門、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)部門的高度重視。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化級(jí)別可分為截面優(yōu)化，形狀優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化和布局優(yōu)化；從問題的復(fù)雜程度看已經(jīng)從簡(jiǎn)單的桁架設(shè)計(jì)發(fā)展到梁、板、殼等多種復(fù)雜元素的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；從設(shè)計(jì)變量可分為連續(xù)性及離散性；約束則由最初的應(yīng)力、位移約束拓展到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和動(dòng)力特性等。隨著對(duì)工程設(shè)計(jì)概念例如可靠性、模

2、糊等不確定性的因素的認(rèn)識(shí)，相應(yīng)的優(yōu)化模型如基于可靠性概念的優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)模糊優(yōu)化等也已提出。拓?fù)鋬?yōu)化除了考慮元件尺寸外，還要考慮元件的連通性。由于它的難度很大，尋找廣泛適應(yīng)于工程實(shí)際的拓?fù)鋬?yōu)化算法仍然是我們面臨的重大挑戰(zhàn)。但是，拓?fù)鋬?yōu)化所能帶來(lái)的更大的經(jīng)濟(jì)效益確實(shí)不容忽視的，它受到越來(lái)越多的專家學(xué)者的關(guān)注，也因此成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)Ⅲ。上世紀(jì)術(shù)Maxwell口J首次提出了拓?fù)鋬?yōu)化思想，至今的一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，其發(fā)展仍不很成熟。1904年Michell例基于MaXwell理論建立了達(dá)到體積最小的桁架變形準(zhǔn)則，滿足這一變形準(zhǔn)則

3、的桁架，其體積一定最小，稱之為MicheU結(jié)構(gòu)，如圖1．1所示。該理論適用范圍較窄，只對(duì)于單工況和特殊的應(yīng)變約束適合。1964年，Dom提出了基結(jié)構(gòu)理論[4]，但由于當(dāng)時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法的局限，在此之后的二十年間有關(guān)研究進(jìn)展緩慢。1988年，Bendsoe和Kikuchi發(fā)表的基于均勻化理論的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓豐卜優(yōu)化方法，開創(chuàng)了連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新局面口l，此后對(duì)連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究的人日益增多，取得了一系列的研究成果。麓一黜黟1)Designspace2)Des{gnT叩01。gy3)A11alyticalSolution

4、幽1．1Mlche]l桁架Fi91jMicheilt川ss劉婉秋：桿系結(jié)構(gòu)基于可靠性的拓?fù)鋬?yōu)化研究地震所帶來(lái)的危害越來(lái)越受人類社會(huì)的重視。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮地震載荷也是必要的。在與自然災(zāi)害不斷進(jìn)行斗爭(zhēng)的同時(shí)，人類的科技文明也不斷地獲得進(jìn)步。特別是近半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)地震的破壞激勵(lì)已有了同益深入的認(rèn)識(shí)，并基于這種科學(xué)的認(rèn)識(shí)而制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，使結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)水平得到了有效提高。涉及動(dòng)力問題的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題的研究目前還相對(duì)較少，但對(duì)許多結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方面的設(shè)計(jì)。1965年，Niordson[6]對(duì)于震動(dòng)梁的拓?fù)鋬?yōu)化研究文

5、章是該領(lǐng)域比較認(rèn)同的第一篇文獻(xiàn)。目前大部分的工作僅涉及到了桁架，或剛架結(jié)構(gòu)的以頻率為約束的拓?fù)鋬?yōu)化。與尋求最大剛度的靜力優(yōu)化相比，動(dòng)力相關(guān)問題的研究還很不充分?？v觀現(xiàn)代工程的發(fā)展歷程，系統(tǒng)的失效無(wú)處不在【”。工程結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長(zhǎng)的使用期內(nèi)，需要安全可靠地承受設(shè)各、人群、車輛等使用荷載，經(jīng)受風(fēng)、雪、冰、雨、日照或波浪、水流、土壓力、地震等環(huán)境的作用。它們安全可靠與否，不但影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且還常常關(guān)系到人身安危。1940年，他科馬海峽橋(TacomaNarrows)的設(shè)計(jì)代表了當(dāng)時(shí)的最高水平，出乎所有設(shè)計(jì)師的預(yù)料，落成還不到四個(gè)月，

6、大橋就在風(fēng)中坍塌。1943年，第一個(gè)焊接油船斯充內(nèi)塔第號(hào)(Schenectady)由于焊接結(jié)構(gòu)失效而在水面平靜的碼頭一分為二。1986年，人類歷史上最嚴(yán)重的核泄漏事故在切爾諾貝利(Chernobyl)發(fā)生，爆炸幾乎毀掉了附近的一切。設(shè)計(jì)人員的過渡自信導(dǎo)致設(shè)計(jì)失誤及安全系統(tǒng)的不足都是致使這次災(zāi)難的原因。結(jié)構(gòu)可靠性同樣與我們的閂常生活息息相關(guān)，像洗衣機(jī)，電視機(jī)，汽車等產(chǎn)品都涉及到可靠性問題。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，經(jīng)濟(jì)合理地滿足下列要求：(1)能承受正常施工和正常使用期間可能出現(xiàn)的各種作用(包括荷載及外加變形或約

7、束變形)；f2)在正常使用時(shí)具有良好的工作性能；(3)在正常維修和養(yǎng)護(hù)下，具有足夠的耐久性；(4)在偶然事件(如地震、爆炸、龍卷風(fēng)等)發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，能夠保持必要的整體穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)的安全性和司+靠性是有區(qū)別的．如上述要求的第(1)、(4)項(xiàng)，關(guān)系到人身財(cái)產(chǎn)安全，屬于結(jié)構(gòu)的安全性，第(2)項(xiàng)關(guān)系到結(jié)構(gòu)的適用性，第(3)項(xiàng)關(guān)系到結(jié)構(gòu)的耐久性。安全性、適用性和耐久性三者總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。用來(lái)度量安全性的指標(biāo)稱為安全度，度量可靠性的指標(biāo)稱為可靠度?？煽慷缺劝踩鹊暮x更為廣泛。但是，安全度是可靠度中最重要的內(nèi)容，它直接關(guān)系到人身安全

8、和經(jīng)濟(jì)效益等問題，是可靠性研究的重點(diǎn)俐。在結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化中考慮可靠性及動(dòng)力載荷，即是生產(chǎn)發(fā)展的需要，也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，目前該方面的工作還不多見。本論文對(duì)考慮可靠性的結(jié)構(gòu)動(dòng)力拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行了探索，給出了有效的解決辦法。大連理li人學(xué)碩1I一學(xué)位論文1．2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1