工程结构优化设计研究发展

张晓波

【摘要】工程结构优化设计是把力学概念和优化技术有机地结合，根据设计要求使部分参与计算的量以变量出现，采用数学手段搜索出满足预定要求的设计方案，不但能缩短设计周期，而且还能提高设计质量和水平，以达到降低工程造价的目的。本文着重评述了工程结构优化的发展现状，对优化设计选用的优化方法进行了归类， 提出了拓宽这一领域发展的有效策略

【关键词】 工程结构 优化 设计

工程结构设计在于寻求既安全又经济的结构形式， 而结构对于试图产生超出设计者经验的有效的新型结构来说， 优化是一种很有价值的工具. 优化的目标必须满足一定的约束条件， 以获得及其他工程学科于一体的结构优化设计，为人们长期所追求最优的工程结构设计提供了有力的技术支持， 攻克了近代结构优化设计的难度和复杂性，它不仅有利于进一步计算结构力学性态的导数值，而且它要根据结构与力学的特点对数学规划方法进行必要的改进. 因此， 工程结构优化设计是一种实用性很强的理论和技术. 目前， 结构优化设计在改进结构性能和提高安全寿命等更多方面，给工程界带来了经济效益。随着计算机条件的进一步改善和普及， 人们对结构优化设计的研究和应用的呼声更高了，无论国内还是国外， 对这一现代技术随着产品竞争的加剧， 结构优化设计将会有更大的发展.

1 工程结构优化设计研究发展现状

只注重理论优化。工程设计师的设计理论大多是在书本上的知識学习，忽视了实践的问题，因此造就工程设计师在设计师也只是注重理论抗震结构，而不去实地考察分析是否符合标准设计。结构设计虽然经过多年的发展，但是存在的问题隐患有很多，还不能完全抵御自然的危害。还有的结构优化，忽视整体工程要求，只考虑了单纯的对结构优化，没有考虑到是否符合整体要求

关于网络的结构的建立还没有一个明确的理论指导，在神经元网络训练的前期采集样本时，采用实验设计的方法能够保证获得充分的信息，要在精度和效率上进行取舍，目前大型的结构优化设计变量和目标函数的关系高度非线性，大大地降低了结构优化设计的效率，提供了优化分析模块，但是也只能解决一些结构简单变量不多的问题。

2 工程结构优化设计研究发展策略

选择合适的优化算法进行优化。工程结构优化设计的显著特点是单步设计变量修改幅度大，将数学规划法引入到结构优化设计中，通过数学规划法，对一些典型问题搜索到全局最优解，并对现有的优化算法进行改进、 重组和综合，从而产生高效率的结构重分析程序，找到可靠度性高的结构优化设计。现代工程设计中，要求结构优化能适用于各种类型的设计变量，适合各种类型的约束及各种类型的单元，但是这些方法对离散变量问题、离散连续混合变量问题的求解的适应性不强。

2.1遗传算法

近年来倍受关注的遗传算法，它具有较强的全局寻优能力和适应性，利用遗传算法的全局搜索性对优化目标函数进行全局寻优，在全局寻优的最优解的可能存在域，利用数值优化算法以确定最优解，不但能减少寻优的时间，而且在给定区域上均尽可能最佳的优化问题，这些目标的改善有利于质量和结构刚度达到最佳。由于各种优化算法都有优势也各自存在着缺陷，所以应针对不同的问题因该选择适当的优化算法。

2.2形状优化法。

工程结构形状优化，首先主要以改善结构特性为主，重点要求确定结构的边界形状，如建筑中双曲拱坝的体形设计， 必须在满足工程要求的前提下，寻求用材最省的坝形。其次是确定结构内部开孔尺寸和形状， 其目的在形状优化过程中分析模型不断变化， 因而必须研究工程结构性态与设计变量之间的非线性关系， 使得形状优化形成了用边界参数化描写的方法，该方法把结构分成若干子域， 每个子域对应一个设计元.都是由一组控制设计元几何形状的主节点来描述，以计变量作为优化参数的形状优化方法，将该位移加到对应的节点坐标上构成有限元网格，有效克服了有限元法用于形状优化的两个主要缺点。

2.3拓扑优化法。

结构拓扑优化设计有利于在静态结构，动态特性和柔性机构的应用，建构尺寸参数的数学模型并采用优化方法对该模型进行求解，得到最优的尺寸参数，其中的相对密度法是一种常用的拓扑优化方法，它吸取了均匀化方法，拓宽了拓扑研究的对象。在形状优化过程中， 改变的只是开孔的边界形状， 无法确定开孔数。利用有限元和边界元都可以自动划分网格，在设计区域为了突破这一局限，依据连续体结构的拓扑优化方法.对连续体进行拓扑优化.结合单胞的密度与材料有效弹性，用连续变量对设计问题进行描述，使结构的某种性能得到最优的拓扑结构。拓扑优化法坚持数学规划原则，以规划论为基础.吸收了准则法的优点， 根据力学特性使计算效率得到了显著提高

3建立基于可靠度高的平面刚架优化模型。

可靠指标采用约束变尺度法，充分考虑工程结构设计有关的一些因素如 设计优劣标准、 结构响应的允许范围、 地震烈度的划分、 建筑场地的分类，通格式构建了模糊环境下的决策模型，并将其应用于抗震结构的模糊优化中，提出了重力式挡土墙稳定性分析的模糊优化设计方法，从而使挡土墙的稳定性分析更加接近客观实际。

随着科技的进步，人们对于工程的结构性能要求越来越高，工程设计结构也会更完善。为了防止灾害对于工程造成更大伤害，我们要不断完善工程结构设计，不断把理论与实践结合起来，根据不同地形和建筑，具体分析工程的结构设计。

参考文献：

[1]杜雷；基于概率的连续体结构拓扑优化设计[D]；西安电子科技大学；2004年

[2]夏利娟，吴嘉蒙，金咸定；工程结构的拓扑优化设计研究（英文）[J]；船舶力学；2002年06期

[3]李芳，凌道盛；工程结构优化设计发展综述[J]；工程设计学报；2002年05期

[4]赵衍刚，江近仁；一个以遗传算法为基础的结构可靠性分析方法[J]；地震工程与工程振动；1995年03

[5]陈奕；；机械结构优化研究与实践[J]；组合机床与自动化加工技术；2007年06期