結構優(yōu)化方法范文

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第1篇

【關鍵詞】工業(yè)建筑；結構設計；優(yōu)化方法

1工業(yè)建筑結構優(yōu)化設計的探討

1.1工業(yè)建筑優(yōu)化設計的目的。目前，在工業(yè)建筑優(yōu)化設計的過程之中，依據(jù)各類建筑，其優(yōu)化需求目標基本上可以分成兩類：（1）傳統(tǒng)概念之上的建筑結構設計與優(yōu)化，其主要就是針對成本結構來進行優(yōu)化設計，在最大限度之上來充分的保障設計的質(zhì)量以及結構設計的科學合理性，最終于現(xiàn)代社會低碳環(huán)保的各項要求相符。（2）主要就是利用建筑結構的設計優(yōu)化來滿足企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)的各項目標，達到建筑整體而結構的布局及設備置放的部位、分析與處理施工流程之中的各項數(shù)據(jù)，來最大程度之上加大工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的效率，提升企業(yè)的市場競爭力。

1.2工業(yè)建筑結構設計優(yōu)化中的常見問題。在目前建筑結構設計優(yōu)化設計的施工經(jīng)驗之中來進行分析，一般問題都是出現(xiàn)在優(yōu)化之中。現(xiàn)如今，應用鋼結構的范圍逐漸的加大，這對于概念性設計與空間美學產(chǎn)生了較大的影響。此外，大部分工業(yè)建筑結構設計優(yōu)化之中，設計人員對于整個結構規(guī)劃布局缺乏一個全面化的認識，最終相應的也就引發(fā)了優(yōu)化效果不顯著情況的出現(xiàn)以及大部分企業(yè)對工業(yè)建筑結構設計優(yōu)化不認可。

2工業(yè)建筑設計優(yōu)化

2.1建筑結構優(yōu)化的注意事項。現(xiàn)如今，在進行建筑結構設計的時候，我們國家大多建筑師基本上都不會參前期方案的設計，針對結構可行性與合理性來進行分析，在后期工程建設與方案設計相應的也就加大了難度，當然這也就需要增加對于工程的投入及應用。在工程結構設計前期就得要及時的引入結構優(yōu)化的設計理念，這樣一來不僅僅可以統(tǒng)籌兼顧來分析出工程優(yōu)化設計的各項需求，而且還可以縮減企業(yè)資金的投入量，那么就可以在工程的初期進行合理的控制。

2.2建立完善的工業(yè)建筑結構優(yōu)化體系。在工業(yè)建筑結構優(yōu)化設計的過程之中，因為各個工業(yè)建筑結構的設計缺失統(tǒng)一的指導方案，那么就會使得建筑內(nèi)部結構優(yōu)化無法滿足工業(yè)建筑結構的各項要求。所以在進行優(yōu)化設計之前，首先要做的就是得完成的管理體系建立起來，利用管理體系以及工業(yè)建筑結構優(yōu)化設計之中出現(xiàn)的各項問題來進行分析，并及時的制定出來行之有效的措施來解決，逐漸的工作的內(nèi)容完善起來，最終在最大限度之上來充分的滿足工業(yè)建筑結構優(yōu)化設計質(zhì)量管理的目的，加大工業(yè)建筑結構優(yōu)化設計質(zhì)量及其后期正式應用的使用效率。

2.3建立工業(yè)建筑結構設計優(yōu)化模型。為了進一步科學、合理化的實現(xiàn)工業(yè)建筑結構優(yōu)化設計的工作可以有條不紊的進行，在真是開展優(yōu)化工作之前，要將結構優(yōu)化設計模型建立起來，在眾多變量參數(shù)之中選擇出來其中的重要參數(shù)，逐步將函數(shù)模型建立起來，最終實現(xiàn)最佳的優(yōu)化方案。

2.4吊車水平載荷。大部分工廠的生產(chǎn)均要利用吊車來進行輸送體積偏大的獲取，吊車荷載主要可以分為水平與豎直。SAP2000在結構分析之中可以將吊車的水平荷載利用等效靜載負荷的方式來加到排架樁之上，另外豎直荷載主要就是利用移動式的靜載負荷來進行施加的。

2.5電廠煤斗。煤斗是一種大型設備，其主要特征表現(xiàn)在：高度高以及體積大，并且有水平地震的重要性。針對支承構建而產(chǎn)生附加的扭矩以及彎矩，那么就得要利用相應的計算來進行補償附加的內(nèi)力。其主要步驟為：首先在設備的重心位置加設相應的支承結構，將附加的內(nèi)力進行縮減；其次則是在與支承梁桿的軸心位置垂直的部位加設梁結構，使得支承梁的扭矩轉變成為作用在梁上的彎矩；再者就是這個時候梁的抗彎能力十分的強，最終轉移危險；最后則是支承結構抗扭配筋在不斷的強化，樓板強度也隨即加強。

2.6磨煤機隔振。對于火電廠而言，其發(fā)電過程之中始終無法離開煤炭，那么其中的關鍵工具就是磨煤機。振動的程度也會在很大程度之上影響到其他設備，特別是配電裝置以及發(fā)電機組所處的控室。為了可以有效的避免這些問題的出現(xiàn)，那么彈性支承系統(tǒng)也因此而出現(xiàn)。（1）應用了彈簧振系統(tǒng)之后，磨煤機基礎臺座的重量約為一般基礎快的二分之一。由于將之前的占地空間縮減，這對于工藝布置而言十分的有利。（2）應用了彈簧隔振系統(tǒng)之后，降低了磨煤機振動的頻率，另外最為關鍵的就是有效的降低了磨煤機對于周邊廠房及人員的影響。（3）因為磨煤機基礎臺座和鍋爐廠房結構之間出現(xiàn)分離的現(xiàn)象，磨煤機基礎施工的靈活性偏大。磨煤機基礎施工的進行交叉是的施工，可以有效的縮減施工周期。（4）調(diào)平磨煤機，基礎沉降可以通過彈性彈簧隔振器來進行相應的調(diào)整。（5）應用彈簧隔振系統(tǒng)之后，磨煤機自身受到荷載影響偏小，減小了磨煤機磨損的程度，使得磨煤機的運行可靠性進一步的提升。另外還可以有效的延長磨煤機的使用壽命，加大磨煤機大修的周期。（6）和一般基礎相比之下，在應用彈簧隔振系統(tǒng)之后，磨煤機基礎的振動具備可控制性，最為關鍵的就是傳遞到基礎下荷載量減小了，所以可以適當?shù)目s減地基基礎處理的資金。綜上所述，工業(yè)建筑結構設計是一項較為繁雜的工作，那么需要考慮各個方面的因素，從選擇原材料到工程設計以及設計優(yōu)化等等各個部分，依據(jù)工業(yè)建筑結構的特征來來具體的進行操作。逐漸的優(yōu)化設計方案，在最大限度之上設計出來經(jīng)濟合理的方案。

參考文獻

第2篇

1.1基于拉格朗日方程的剛柔耦合動力學建模在對硅片傳輸機器人動力學模型過程中，需要對實際機器人進行如下合理的假設：①將硅片傳輸機器人手臂等效為均質(zhì)桿，將關節(jié)質(zhì)量等效為集中質(zhì)量；②將同步帶以及諧波減速器等效為無質(zhì)量線性彈簧，系統(tǒng)阻尼采用比例阻尼進行簡化。經(jīng)過上述假設后，硅片傳輸機器人手臂可由如圖2所示的簡化模型表示。硅片傳輸機器人手臂簡化模型中各物理量參數(shù)定義及其數(shù)值見表1。1.2硅片傳輸機器人動態(tài)特性分析柔性系統(tǒng)一般有多階固有頻率以及模態(tài)，但并非所有階固有頻率和模態(tài)會對末端軌跡精度造成影響。為了有效地選取優(yōu)化變量，首先應先對柔性系統(tǒng)進行固有頻率及模態(tài)等動態(tài)特性分析，從中尋找對末端軌跡精度有影響的模態(tài)以及對應的固有頻率階數(shù)，從而將優(yōu)化重點放在為對末端軌跡精度影響較大的固有頻率階數(shù)上。由于固有頻率為系統(tǒng)的固有屬性，因此將硅片傳輸機器人手臂的剛柔耦合動力學模型寫為式(2)的形式進行模態(tài)分析根據(jù)模態(tài)分析理論，柔性系統(tǒng)固有頻率以及模態(tài)振型可由式(3)求得，其中ω為固有頻率，A為模態(tài)振型矢量硅片傳輸機器人手臂柔性關節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量陣為時變矩陣，因此其固有頻率會隨著末端的位置變化而變化。采用表1的系統(tǒng)參數(shù)進行仿真得到硅片傳輸機器人手臂固有頻率特性如圖3所示。由圖3中可以看出機械臂的固有頻率隨末端點位置變化而變化。選取末端點位置最遠點進行模態(tài)分析，分析結果如圖4所示。由模態(tài)分析結果可以看出，系統(tǒng)的第三階模態(tài)各個關節(jié)角的振幅比例約為1:–2:1。根據(jù)硅片傳輸機器人手臂的結構原理，大臂、小臂以及末端手的關節(jié)角度按照1:–2:1運動時，末端點的運動軌跡為一條直線，故三階振動狀態(tài)對末端軌跡的直線度并不造成影響。因此，對于硅片傳輸機器人手臂進行優(yōu)化設計時，只需要重點考慮一階與二階的振動，以提高系統(tǒng)一階與二階固有頻率為主要目標。

2手臂結構優(yōu)化變量確定

如何在可優(yōu)化變量中找到對固有頻率影響最大的設計變量通常需要進行靈敏度分析。當優(yōu)化參數(shù)以一很小值變化時，將此時固有頻率的變化量作為該結構參數(shù)對固有頻率的靈敏度。通常固有頻率對結構設計參數(shù)的靈敏度可由式(4)表示式(4)的前提條件為設計變量bj的修改量必須很小。而在實際應用中，對不同設計變量改變同樣數(shù)值時的難易程度并不相同，而對優(yōu)化變量改變同樣百分比的數(shù)值的難易程度基本一致。例如硅片傳輸機器人柔性關節(jié)剛度數(shù)值相對較大，而手臂質(zhì)量較小，如果同樣采取0.1為改變量時，剛度修改比質(zhì)量修改更容易。因此，本文提出固有頻率權值的概念，并以權值作為優(yōu)化參數(shù)的選擇依據(jù)。2.1權值概念在結構優(yōu)化設計中，固有頻率一般為多個優(yōu)化設計變量的隱函數(shù)，可將固有頻率按式(6)進行展開，其中偏導數(shù)項即為固有頻率的靈敏度，而權值向量則表示所有變量對固有頻率數(shù)值“貢獻”的比例。優(yōu)化變量的權值越大說明該變量對固有頻率的影響越大。2.2優(yōu)化參數(shù)確定根據(jù)上述理論，分別對硅片傳輸機器人手臂的優(yōu)化參數(shù)進行靈敏度分析與權值分析。結構參數(shù)對一階固有頻率的靈敏度分析結果如圖5所示，結構參數(shù)對一階固有頻率的權值分析結果如圖6所示；結構參數(shù)對二階固有頻率的靈敏度分析結果如圖7所示，結構參數(shù)對二階固有頻率的權值分析結果如圖8所示。從仿真結果中可以看出：當采用靈敏度作為選擇依據(jù)時，關節(jié)處的等效慣量靈敏度最高，而其余參數(shù)均較小，當采用權值作為選擇依據(jù)時，手臂質(zhì)量、桿長以及柔性環(huán)節(jié)剛度對固有頻率影響較大，顯然采取權值作為判斷依據(jù)更符合實際情況。其中權值為正表示參數(shù)增大時固有頻率提升，權值為負表示參數(shù)減小時固有頻率提升。分析結果表明：對一階固有頻率的權值較大的變量為：腕關節(jié)集中質(zhì)量、末端手臂質(zhì)量、小臂與末端手長度以及同步帶的剛度；對二階固有頻率的權值較大的變量為：腕關節(jié)質(zhì)量、小臂質(zhì)量、末端手臂質(zhì)量、小臂與末端手長度以及同步帶剛度。本文只重點考慮質(zhì)量的優(yōu)化，且腕關節(jié)集中質(zhì)量主要為軸承等標準件，無法進行優(yōu)化。因此，最終的優(yōu)化變量確定為：小臂質(zhì)量與末端手臂質(zhì)量。同時注意到大臂的質(zhì)量對一階與二階固有頻率均無影響，必要時可以考慮增加大臂的質(zhì)量來增加豎直方向上的剛度。

3手臂結構優(yōu)化設計

根據(jù)上述分析結果，最終選取硅片傳輸機器人小臂質(zhì)量與末端手臂的質(zhì)量作為優(yōu)化參數(shù)，減小質(zhì)量參數(shù)有助于固有頻率的提高。然而大幅度的減小手臂的質(zhì)量必然造成手臂在豎直方向上的剛度降低，從而使懸臂結構在豎直方向上的靜態(tài)變形增大以及在豎直方向上的振動的加劇。因此在減小手臂質(zhì)量的同時，需要考慮對豎直方向上變形的影響。3.1優(yōu)化方法及約束方程推導將硅片傳輸機器人小臂與末端臂簡化為圖9所示的等截面空心梁。其中H與W為空間尺寸約束條件，通常為常數(shù)；h1、h2、h3為手臂厚度變量；L為手臂長度。OYZ為截面坐標系，YC為截面彎曲中性軸。硅片傳輸機器人小臂與末端臂的受力均可等效為圖10所示的形式。圖10中p為手臂自身重力引起的均布載荷，F(xiàn)e為等效力，Me為等效轉矩。則手臂末端的撓度、由于硅片傳輸機器人手臂為串聯(lián)結構，故式(8)中的等效力與等效力矩均參數(shù)均與該手臂所承載的后端的手臂的質(zhì)量以及長度參數(shù)有關。因此，在進行硅片傳輸機器人手臂結構優(yōu)化設計時需要從末端手臂開始設計，隨后再設計小臂。3.2末端手臂優(yōu)化設計在硅片傳輸機器人末端手臂設計時，末端手臂所承受的等效力與等效轉矩由末端手與負載的參數(shù)決定。通常末端手與負載的參數(shù)為常數(shù)，且末端手等效載荷以及尺寸約束參數(shù)數(shù)值如表2所示。仿真結果表明：末端總變形隨末端手臂上壁厚度的增加而增加，但當上壁厚度大于2mm后末端總變形基本不變；側壁的厚度對末端總變形的影響較小，基本可以忽略；末端總變形隨著末端手臂下蓋厚度增加而增加，但當下蓋厚度大于1mm之后，總變形增加的較為緩慢。因此，末端手臂厚度尺寸最終確定為：上壁厚度2mm、側壁厚度1.5mm、下蓋厚度1.5mm。3.3小臂結構優(yōu)化設計末端手臂優(yōu)化完成后，小臂的等效力與等效轉矩參數(shù)即可以確定。小臂受力及約束尺寸參數(shù)數(shù)值如表3所示。仿真結果表明：末端總變形隨小臂上壁厚度的增加而增加，但當上壁厚度大于2mm后末端總變形基本不變；側壁的厚度對末端總變形的影響較小，基本可以忽略；末端總變形隨著小臂下蓋厚度增加而增加，但當下蓋厚度大于1mm之后，總變形增加的較為緩慢。因此，小臂厚度尺寸最終確定為：上壁厚度2.5mm、側壁厚度2mm、下蓋厚度1.5mm。

4優(yōu)化前后性能及參數(shù)對比

優(yōu)化前后的小臂與末端手臂的三維模型如圖17所示(手臂的下端蓋未顯示)。優(yōu)化前后手臂質(zhì)量以及硅片傳輸機器人手臂系統(tǒng)的固有頻率數(shù)值對比關系如表4所示優(yōu)化前后硅片傳輸機器人手臂系統(tǒng)由懸臂引起的豎直方向上的靜變形、靜應力以及豎直方向上的振動頻率如圖18～23所示。由表5與表6可以看出：優(yōu)化前后末端手臂質(zhì)量降低了50%，小臂質(zhì)量降低了18.8%；一階固有頻率平均值與二階固有頻率平均值均提高了10%；豎直方向上最大靜態(tài)變形量降低了52.3%；系統(tǒng)最大應力降低了58.3%；豎直方向上的振動頻率提高了45.2%。

5結論

第3篇

截面優(yōu)化 形狀優(yōu)化 拓撲優(yōu)化 算法

結構優(yōu)化設計是最近30年來才發(fā)展起來的一個新的技術，這是結構上的一次重大的飛躍，它讓設計者們從被動的狀態(tài)變?yōu)榱酥鲃訝顟B(tài)。優(yōu)化設計能夠非常合理地使用每一種材料的性能，讓結構內(nèi)的每一個單元都能夠很好的協(xié)調(diào)在一起，并且保證安全度是完全達標的。于此同時，它還能夠幫助整體性的方案設計進行一個非常合理的決策。結構優(yōu)化設計從出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有40多年的歷史了，而在過去的30年內(nèi)，它在理論和算法等方面都取得了非常顯著的進展。這些進展大部分是與連續(xù)變量優(yōu)化設計相關的，另外少部分是與離散變量優(yōu)化設計相關的。

1.結構優(yōu)化設計理論

1.1 截面優(yōu)化

截面優(yōu)化的設計變量要么是板的厚度、桿的橫截面積，要么是復合材料的方向角度或分層厚度，因此，在使用有限元對結構的位移與應力進行計算時，只需要直接地使用靈敏度分析以及適當?shù)臄?shù)學規(guī)劃方法便能夠完成截面優(yōu)化的過程，而不需要對網(wǎng)格進行重新劃分。對于幾何狀態(tài)一定的情況，有限元分析只需要在桿的橫截面的性質(zhì)發(fā)生改變的時候才重復地進行。對于板這類有連續(xù)性結構的東西，也只需要把各個單元的厚度作為設計的變量，得出的優(yōu)化結果便是呈階梯形分布的板的厚度。在這些優(yōu)化設計的過程當中，設計變量和剛度矩陣一般情況下是簡單的線性關系。所以，截面優(yōu)化應該重點研究優(yōu)化算法與靈敏度分析。

1.2 形狀優(yōu)化

形態(tài)優(yōu)化的主要特征是在結構給定的前提下通過對結構的邊界形狀或內(nèi)部的幾何形狀進行調(diào)整來節(jié)約材料并且對結構的特性進行改善。從對象上劃分，形狀優(yōu)化主要可以分為塊狀、板狀的連續(xù)體結構與桁架類的桿系結構。對于桿系結構形狀進行優(yōu)化的求解方法主要可以分為兩類。第一類是綜合法，即是將兩類變量統(tǒng)一起來同時進行處理，運用無量綱化，然后構造近似數(shù)學模型進行求解。第二類是分步優(yōu)化方法，即是將尺寸變量和幾何變量分為兩個設計空間，然后分別對這兩類變量進行優(yōu)化，也即是每一步將一個變量固定，同時優(yōu)化另一個變量，兩步之間通過迭代進行協(xié)調(diào)。

1.3 拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化已經(jīng)成為了現(xiàn)今結構優(yōu)化設計研究的一個焦點，因為它可以在工程結構設計的最初的階段便為設計者提供一個概念性的設計，讓結構在布局上運用到最好的方案，這樣，拓撲優(yōu)化就比截面優(yōu)化和形狀優(yōu)化能夠獲得更大的經(jīng)濟效益，也更容易受到工程設計人員的親睞。拓撲優(yōu)化的目的是在設計空間中尋找結構的剛度最好的分布形式，從而來對結構的一些性能進行優(yōu)化或者減輕結構的重量。

2.結構優(yōu)化設計方法

2.1 數(shù)學規(guī)劃法

數(shù)學規(guī)劃方法的提出開創(chuàng)了現(xiàn)代結構優(yōu)化的新時代，將優(yōu)化問題轉化成數(shù)學規(guī)劃的形式求解也就是將問題轉化為在設計的空間中，在一定的可行域內(nèi)尋找最小目標等值面上的可行的點，這個點也就是問題的最優(yōu)解。數(shù)學規(guī)劃法有非常嚴格的理論基礎，雖然它在一定的條件下能夠收斂到最優(yōu)的解，但是它要求問題能夠非常明顯地表達，而且大多數(shù)情況下還要求設計變量必須是連續(xù)變量，目標函數(shù)是連續(xù)的而且性態(tài)要良好。對于大型的結構優(yōu)化問題，收斂性一般都不是很好，而且迭代的次數(shù)比較多，這樣就加大了結構分析的工作量，降低了工作效率。近似概念大大地提高了規(guī)劃方法的計算的效率。

2.2 最優(yōu)準則法

直接地使用數(shù)學規(guī)劃理論需要多次地調(diào)用函數(shù)進行計算，而且當設計變量增加時調(diào)用次數(shù)也會迅速增加，導致設計的效率太低，在這樣一種背景下便出現(xiàn)了最優(yōu)準則法，它是最先發(fā)展的一種結構優(yōu)化設計方法。這種方法雖然計算效率比較高，但是在建立迭代公式的過程中受到很多假設的限制。

2.3 仿生學方法

近年來，對自然界進化進行模擬的算法有兩類，即模仿自然界過程算法和模仿自然界結構算法，主要又可以分為：進化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法與模擬退火。

結語

結構優(yōu)化是一門綜合性的學科，也是一個有很大發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较颍哂幸欢ǖ睦碚搩r值與應用價值。在理論上，它對結構設計提出了一個新理念，極大地促進了人類資源的合理配置。于此同時，結構優(yōu)化問題的本身也帶動了一些相關性學科的發(fā)展，對各個學科的發(fā)展提出了一些新要求。本文對結構優(yōu)化的一些優(yōu)化方法進行了簡要的概括。截面優(yōu)化相對來說已經(jīng)比較完善，形狀優(yōu)化也漸漸地變得成熟，只有拓撲優(yōu)化至今還處在理論探索的階段。

參考文獻

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