工程结构优化的方法与概念,结构工程论文

工程结构优化的方法与概念,结构工程论文构造是工程应用中很重要的一个环节，假如构造的不合理可能因而会导致构件的承载力不够强或者是过于复杂的构造也会导致原材料的大量浪费。构造优化设计就是在知足使用要求的前提条件下，进行构造方面的调整，或者是减少原材料，或者是将构造简化等步骤。传统的构造优化设计主要是根据构造设计人员的经历体验进行判定，提出一些较为基本的方案，然后在根据一些判定方式方法进行优化直到知足为止。但是传统的构造优化设计的缺点在于构造优化设计只能对非重要的承载构造进行调整，而且更为费事的，这种调整是牵一发而动全身的，很难以一步到位，这就需要设计师具有丰富的经历体验，并且也将花费甚大，而面对十分复杂的构造的情况下，这种优化设计几乎无计可施。上世纪50年代，随着电子计算机的发展，很多工程问题能够再借助计算机而得以不断的解决出来，如今常见的有限元分析方式方法，就是通过计算机建模加载一些参数，能够得出构造体中某些部位受应力分布的情况，能够在做大量的模型情况下选择一种比拟满意的结果。同时随着数学规划的引入，也给构造优化设计带来了很大的便利，因而，将有限元分析方式方法和数学规划有机的结合在一起，能够在很短的时间内就能够实现构造的优化设计。而与此同时，另一个优化理念－准则法被广泛的使用，它是基于某种物理方面的性质而设立的，建立相应的迭代算式(屡次反复的重复计算)，计算结果直至收敛。后面引神经元网络技术，其具有自适应性和自组织性的能力，能够模拟人脑进行不断的自我学习的经过，华而不实一种情况是模拟，用规定的形式进行学习和模拟，另外一种是仅仅限定某些学习的规则，并不直接提供经过，因而此方式愈加接近人脑的经过。1、大型构造优化设计1．1大型构造设计的要求好的构造设计是指在在正常施工和建设的状态后，能知足如下的几个要求:(1)安全性原则:无论如何的构造设计，在建设完成后，首要的问题即为安全，在正常的设计使用寿命之内，不能出现任何关乎到建筑构造安全的事故，即便是在存在突发状况下，如发生地震、泥石流等自然灾祸的情况下，不至于发生倒塌等的事故;(2)适用性原则:在使用的经过中，不能出现太多影响使用的问题，如墙体出现不可接受的大的裂缝、倾斜等事故。1．2大型构造优化设计的窘境尽管基于有限元的分析方式方法已经得到了普及，且对于特定的构造问题也有相当多的案例。优化理论和算法也日渐增加，但是事实上有限元分析法和优化方式方法的结合的使用方式方法在实际使用经过中却并多见。一方面来讲，随着建筑方面的发展，越来越多愈加复杂的钢构造正在不断的被设计出来，与此同时，针对这些日益复杂的钢构造的优化方案却是屈指可数，并且更为棘手的是，随着摩天大楼的不断涌现，构造的优化设计做的不好，不仅会对整个建筑的安全产生较大的隐患，而且在经济上来讲，会造成较大的浪费。2、构造优化的方式方法构造优化的方式方法根据优化的层次不同可大致分为尺寸的优化、形状的优化和拓扑构造的优化。其基本经过为假设、分析和屡次重新设计的一个经过，详细即是为了找到一个构造的最合理的方案，需要对构造设计进行重新评估，对方案进行不断的修改和优化，最终能够实现获取最优解的目的。华而不实尺寸优化的方式方法因其基本，正在逐步的被淘汰。而拓扑构造也将会是发展的趋势。2．1尺寸优化在构造的类型、材料和布局等的几何尺寸不变的情况下，优化各个组成构件的截面尺寸，使得构造最轻或者最为经济而选择的优化方式方法。优化的变量能够为杆的横截面积，可以为厚度或者为材料的方向角度等。在进行有限元计算的经过中，能够利用数学规划方式方法和敏度分析等就能够进行对尺寸的优化。2．2形状优化形状优化的主要特征是研究怎样确定构造的边界形状或者是内部的一些几何形状，进而能够改善构造的特性。而确定几何形状的目的是为了降低应力的集中，或者是能够改善应力的分布，这个也是解决因应力集中或者是疲惫导致的毁坏问题的一种非常有效的手段。2．3拓扑优化拓扑优化是构造优化的一种。构造优化可分为尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。华而不实尺寸优化以构造设计参数为优化对象，比方板厚、梁的截面宽、长和厚等;形状优化以构造件外形或者孔洞形状为优化对象，比方凸台过渡倒角的形状等;形貌优化是在已有薄板上寻找新的凸台分布，提高局部刚度;拓扑优化以材料分布为优化对象，通过拓扑优化，能够在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的分布方案。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，是构造优化最具发展前景的一个方面。图示例子展示了尺寸优化、形状优化和拓扑优化在设计减重孔时的不同表现。3、构造优化的理念在分析经过中，需要在知足各种参数的情况下，并求出知足不同的约束条件，且使得目的函数能得到最小值的设计方式方法。(1)数学模型建立:根据需要分析的构造对象，对之进行相对应的数学建模。(2)变量的设计:变量即为能够在某种程度上描绘叙述构造的量，包括设计截面的几何参数等信息，能够是柱的高度等等。变量又包括连续性变量和离散型变量，连续性变量能够实现连续变化，而离散的则不能实现连续变化。(3)目的函数:通常能够衡量设计好坏的一个较为重要的指标，能够反响设计的性能，可以以反响一些经济性能。(4)约束条件:通常能够大致的分为几何约束以及性态约束。通常几何约束指的是在几何尺寸等方面加以限制，几何尺寸不会发生太大的变化。而性态约束通常是指的是构造的固有的一些性质，如震动频率等不发生变化。4结束语构造优化设计的发展趋势为:(1)拓扑构造的发展:从拓扑构造的构造优化设计的理念中可知，拓扑构造具有良好的发展水平，尽管正处于开场阶段，但是已经展现出了良好的前景;(2)有限元计算和优化方式方法的结合:随着有限元计算方式方法的功能日益强大，且随着优化的计算方式方法的适用性更高层次，会对优化设计起到很大的辅助作用。构造优化设计是一个系统的经过，并且随着计算机的性能提高和各种优化算法的提出，优化设计呈现快速发展的态势。以构造动态响应为约束的动力优化设计具有特别现实的工程背景，它将成为今后广为关注的一个前沿性课题。以下为参考文献：［1］钱令希，程耿东，隋允康，钟万勰，林家浩．构造优化设计理论与方式方法的某些进展［J］．自然科学进展