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《基于改進(jìn)螢火蟲(chóng)算法的桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1課題研究背景結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)（StructuralMorphology）研究結(jié)構(gòu)―形‖與―態(tài)‖間的相互關(guān)系，尋求他們的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，目的是實(shí)現(xiàn)一種以自然、合理、高效為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)美學(xué)。其中，―形‖是指結(jié)構(gòu)形式，包括結(jié)構(gòu)體系、內(nèi)部拓?fù)潢P(guān)系和幾何形狀等內(nèi)容；―態(tài)‖是指結(jié)構(gòu)性能，包括結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)效率以及適用性(即能否符合使用功能的要求)等內(nèi)容。它包括了豐富的研究?jī)?nèi)容和寬廣的研究?jī)?nèi)涵，包括研究如何描述與調(diào)控各種幾何形狀；研究結(jié)構(gòu)構(gòu)型與其力學(xué)性能之間的內(nèi)在關(guān)系；研究各類找形、優(yōu)化和結(jié)構(gòu)構(gòu)型生成的分析、計(jì)算方
2、法；研究其他學(xué)科借鑒引入新思想、新[1]方法；研究通過(guò)實(shí)物或虛擬模型實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)造型。結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)一詞由國(guó)際殼體與空間結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)(IASS)于1991年首次提出，同時(shí)，―結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)‖工作組(SMG)成立，但其發(fā)展與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展一樣由來(lái)已久。古代勞動(dòng)人民，通過(guò)長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累和對(duì)大自然的觀察，得到了許多外形美觀且受力合理的結(jié)構(gòu)，如草原上的帳篷，拱形的趙州橋，古羅馬的拱圈、穹頂?shù)?。到?9世紀(jì)末、20世紀(jì)初，眾多工程師通過(guò)模型試驗(yàn)的手段設(shè)計(jì)了許多形態(tài)完美結(jié)構(gòu)的經(jīng)典作品。如圣家族大教堂、Deitinge加油站、曼海姆多功能廳等許多經(jīng)典建筑。20世紀(jì)80
3、年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展和優(yōu)化算法的不斷提出，結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)得到了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，為結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的快速發(fā)展提供了多條途徑，其中結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是其有效且重要的途徑之一。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更為理性、綜合的設(shè)計(jì)方法，它可從概念和具體指標(biāo)入手，追求結(jié)構(gòu)―形‖與―態(tài)‖協(xié)調(diào)統(tǒng)一。具體來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要求在給定的設(shè)計(jì)約束條件和優(yōu)化目標(biāo)下，通過(guò)建立合理的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用優(yōu)化算法以及結(jié)構(gòu)計(jì)算分析技術(shù)，從眾多可行的設(shè)計(jì)方案中選擇符合設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)意圖的設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為一個(gè)獨(dú)立的研究領(lǐng)域，包含了許多研究?jī)?nèi)容。按其發(fā)展先后
4、順序和實(shí)現(xiàn)的難易程度可分為五個(gè)不同層次，包括：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、布局優(yōu)化和選型優(yōu)化。這五個(gè)層次的優(yōu)化效果逐級(jí)提高，操作難度也依次增加。因此，到目前為止僅結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化的研究較為成熟且被成功應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，拓?fù)鋬?yōu)化尚處于快速發(fā)展階段，布局優(yōu)化和選型優(yōu)化更是滯后。由于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域著名學(xué)者Rozvany和Olhoff認(rèn)為這是-1-萬(wàn)方數(shù)據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文[2]一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是指在一定的荷載、邊界條件和結(jié)構(gòu)安全性約束下，通過(guò)同時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸和拓?fù)湫问剑_(dá)到改善結(jié)構(gòu)受力性能
5、或節(jié)省材料用量的優(yōu)化目標(biāo)。由于優(yōu)化過(guò)程中，拓?fù)渥兓鹆私Y(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型的不斷變化，繼而造成優(yōu)化模型的可行域、可行解的不斷變化，這些變化給求解帶來(lái)更大難度，對(duì)結(jié)構(gòu)分析技術(shù)和優(yōu)化求解方法提出了更高要求。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的一個(gè)獨(dú)立層次，不僅能夠在滿足合理受力的條件下節(jié)約材料用量，而且能構(gòu)造出新穎、美觀的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。在追求外在美觀，且受力合理的結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)越性和重要性將更為顯著。1.2桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究現(xiàn)狀從結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化概念提出到現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各類不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)研究，主要可分為兩類：探究結(jié)構(gòu)開(kāi)孔的數(shù)量
6、及位置的連續(xù)體結(jié)構(gòu)和探究結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量、位置和連接方式離散體結(jié)構(gòu)。其中離散體結(jié)構(gòu)的研究對(duì)象主要是包含了桁架結(jié)構(gòu)和剛架結(jié)構(gòu)的桿系結(jié)構(gòu)，這里桁架結(jié)構(gòu)指結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式為鉸接，剛架結(jié)構(gòu)指結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式為剛接。因此，離散體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化也常被稱為桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。與連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化相比，桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化更為復(fù)雜，難度更大，發(fā)展也相對(duì)緩慢。從數(shù)學(xué)角度而言，桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的應(yīng)力約束函數(shù)不連續(xù)、可行域不連通、目標(biāo)函數(shù)難以用解析函數(shù)表達(dá)或者難以精確估計(jì)；從力學(xué)分析角度而言，由于拓?fù)渥兓婕皸U件有無(wú)，優(yōu)化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量機(jī)構(gòu)，因此必須對(duì)不同拓?fù)錁?gòu)型進(jìn)行幾何組
7、成分析，確保求解結(jié)果為穩(wěn)定的幾何不變體系。此外，運(yùn)用基結(jié)構(gòu)法以極小面積代替被刪除桿件時(shí)，由于應(yīng)力約束函數(shù)不連續(xù)而使最優(yōu)解位于設(shè)計(jì)空間中某個(gè)低維退化子域的端點(diǎn)所引起的―奇異最優(yōu)解‖問(wèn)題，需采取特殊措施來(lái)避免該問(wèn)題。在桿系結(jié)構(gòu)中，桁架結(jié)構(gòu)只受軸力，結(jié)構(gòu)的承載效率較高，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛，而且桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析較簡(jiǎn)單，優(yōu)化數(shù)學(xué)模型構(gòu)造也簡(jiǎn)單，在計(jì)算機(jī)發(fā)展水平尚不發(fā)達(dá)的早期就較易入手。因此，學(xué)者們對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化研究開(kāi)展得較早，得到的研究成果也更多。桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法主要有解析法和數(shù)值方法。-2-萬(wàn)方數(shù)據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文1.
8、2.1桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的解析法[3]一個(gè)世紀(jì)以前，澳大利亞著名發(fā)明家Michell發(fā)表了拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域的第一篇[4]研究論文，他在Maxwell的應(yīng)力約束下最小質(zhì)量桁架結(jié)構(gòu)的基本拓?fù)浞治龌A(chǔ)上，
