（工程力学专业论文）杆、梁、膜、板壳等多单元组合结构截面优化程序的集成研发.pdf

摘要 杆、梁、膜以及板壳等多单元组合结构被广泛地应用到工程实际当中。用有限 元软件对组合结构进行分析已不成问题，但是对组合结构截丽优化却相对落后。鉴 于此，本文对杆、梁、膜以及板壳多单元组合结构的截面优化的理论进行了研究， 并且基于m s c p a 廿a n 软件，利用其自带的p c l ( p a 舡孤c o 1 i n a n d l 锄g u a g e ) 语言， 将优化理论程序化，开发了相应的优化软件，主要研究内容包括： 1 组合结构截面优化模型的建立 建立了以结构重量为目标、满足应力约束和尺寸约束的组合结构截面优化模型。 对于应力约束，由于它是局部约束，为避免一阶近似带来的繁重计算量，将其按零 阶近似处理，并依据满应力准则将应力约束转化为尺寸下限。 2 采用无量纲设计变量 为了适合工程实际的设计变量连接，利用无量纲设计变量，其好处是可以跨单 元、跨截面的用同一个设计变量控制不同类型的结构尺寸( 如板单元的厚度、杆单 元的截面面积等) 。 3 近似射线步技术 近似射线步技术是根据结构的响应和约束关系计算得到一个射线步系数，然后 所有设计变量同时乘以这个系数将设计点从可行域外或可行域内拉到可行域边界附 近，能有效降低每次迭代的计算量，使迭代过程更加平稳。 4 软件开发 根据上述建立的模型和对约束的处理方法，在m s c p a 仕a n & n a s m 软件的基础 上进行了二次开发，能够有效地对应力和尺寸约束下的组合结构进行截面优化。 关键词：满应力准则；组合结构；截面优化；强度约束；m s c p a t r m n a s t r a l l 软件 a b s t r a c t t h ec o m b i n e ds 虮l c t u r e 8w 1 1 i c ha r em a d eo fb a 虬b e a m ，m e m b r a n e ，p l a t ea n ds h e l le l e m e n t sa r e u s e d b f 0 8 d 黟瓤e n 出e e f 融昏强。u 醇y 瘴l g 也es 蜘c 札r e sw 弼矗n i 靶e l 锄e n ts 嘏w a f e 删婶e 莲 q u i c k i xo 埘m 酗n g 也eg 咖c t t l r e si n 也晰s 哪0 n sd e v e l o p e dm o 舱s l o w l * f o r 日1 a t ，j 1 11 1 1 i sp a p e r 也e l e o r ya b o ms e 嘶o na r e ao 州_ 1 n i z a t i 锄o fc o m b i n e ds 廿u o n e si sr e s e a r c h e d ，曲dm es e c 蛀o n a la r e a o 露m i z 商。菇舯g r 8 攫i s e 醐畦峰p c 0 辨瓣娃c 锄e n 鞠蘸毛猁媾e ) 套a 3 撼鼹也e 锋畦攥 z 醛。n 谯e 晖 t h em a i n n t e “协r e s e 删甜i nt 1 1 ep 印钟a r ea sf o l l o w s 1 s e c 虹o n a lo p 鼬l i z a 蛀o n m o d e l i n go f g o m b 蛔e ds 缸u c t u r c s w i t 圭l 如es t f l 】c t l 辩w e j g 融雒畦l eo b j e 睫垃l e $ 畦。鼬la 球ao p 蛳z 缸i 甜lm o d lo f 越b 抽e d s 仉l c n h e si sb u i nw i t l l r i g t t lc o n s 订a m t s 柚ds i 髓n s 仃面m st bn v o i d 吐圮b e a v yc o m p u t 嘶o n s 靠口m 啦e 蠡嘣一o f d 挂婶妒m a 畦黼，氆e 蚰皤毽漱c o n 划n t s 箍sl 戚稍骷昀辆拯a f e 婶婶酶鑫趣t 嚣m 醴t 瞻 z e r o - o 妇a p p m ) 【i m a t 幻nt o 咖s f o mt 0 秭z e1 i m i b 2d i r i l e n s i o n l e s sd e s i 鲫、蛳曲l e s bs 蝣t 蛀撑鞠彻拄雠。f kv 确8 醚船i n 氇e 蛐g 扛 既一n 营糟a | i 镇 缸d 赫 明s i o 癌e s s 妇醯g n v a d a b j e s a 摊8 d o p t e d i n 出。p a p 乩i t s b e n e 丑l i s 1 1 a “l i 挝b 舰s 虮l c t u m js j 黯s c a l l b ec 彻酬j 甜b y s i n 酎e d 器i 驴v 甜i 曲l e ，g u c h 豁t h 。粕e k n e s s 。f 辩黯ee l e m e r 蚝勰d 氆ea f 鞠b a re l 髓b 掰娃龆nb ec a 缸d l e 畦b y 8 玎舀e 击m e n s i o n i 鼯sd e s i 辨唰a b i e 3 a p p m x i m 咖s c a l i n gs t 印t e c h n i q i l e a 蹬f 。艇糙踟s l k gg 堍擎诬a t c 蕊l 鼋醢e 重。m d 摊氇ed 释l 擎辨娃拄l 睡m 建瞎o h 瓣田氇e 溉o f f e 硒i b l er e 掣0 nt ot h eb o u n d a r yt 1 1 m u 曲m u l d p l y i n ga 1 1d e s 妞v a n a b l e sb ya s c a l - m gs l e pf a c t o r ，w 1 1 i c h i sc o m p u t e dw i 也虹撼r e l a t i o n sb e t w e 髓l es 妞】胁嗽他s p a 璐e 3 徽dc o n g 灯a i n 抟。t h et e c l l i q u ec 翘 矗嗣娜e 像e m p 删o n s 粕d 锄o o l 蠹 h e i t e f 硝v e p m s 3 拄e c t l 、游弛 4 s o m v a r ed 州e l o p m c n t b 酗e d 锄ku p p c f 。p 畦m i 珏畦。矗瑚删e la n d 撼e 氆o dt o 鼬n 扭，氆es 靠蝴蛙积射叩豳池畦诹 s o f t 、v a 陀i s 弧v e l o p e do l l m s c p a 怕n n 舳s o 脚a r e t h e 脚a r e c a n w o r ke 瓶c t i v e l 弘 k e ￥妁r d $ f 畦l ys 鼬s 靶dc 彝靶哟辫c 圊b 秘娃s 曲馥聪；s e c 蛙锄越鑫8o 露氆 燃i o 嚣； s 骶r l 鼬n s t r a i n t ；m s c p a 台a n n a s t r a ns o 开蝴r e - i i - 独钠性声明 奉a 声鹄辑呈交戆论文是我个人在导挥搬母下进行鹳辑究工 皋及取褥豹磅 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表藏撰写过的研究成果，也不包古为获得北京工业大学或其它教育机构 鹣学位或诞书蔼霞角过的耪耪。与我一霹工撵懿阂恚对奉磷究所骰熬经悔贡献驽 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 链名：邋叠 日期 关于论文使用授权的说明 “。s 1 | 本人冤垒了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 像聱送交论文翡复窜释，竞诲论文旋查藤和像蠢；学校霹敬公布论文瓣全帮或郝 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文， ( 保密朗论文在辫密后应遵守此规定) 勰监虹翩笛。醯 第1 章绪论 1 1 结构优化的意义和发展状况及本课题的背景 1 11 结构优化的意义和发展状况 钱令希院士早在2 0 世纪7 0 年代指出：结构优化是在认识世界基础上改造世界 的一种手段。结构优化从本质上讲就是综合决策，是人类在认识和改造世界的实践 过程中不断发展起来的一种结构设计手段。 结构优化基于结构分析而又高于结构分析，是结构设计发展的一次飞跃。结构 优化理论的发展及其实际应用使得结构设计由结构分析阶段的消极设计变为主动的 改善设计，这种变化使结构设计由艺术“传统设计”上升为科学“优化设计”。人们 可以根据使用和运行的要求、工艺和施工的条件，依据规范的限制，依照力学的理 论，建立数学模型，借助优化的方法求出最优设计来。获得最优设计方案的过程由 一个缓慢的长期进化变成了很短的设计阶段，结构设计也由结构分析阶段的任意性 变成了结构优化阶段的摄优性。 结构优化是集计算力学、数学规划、计算机科学以及其他工程学科于一体的综 合学科，是现代结构设计领域的重要研究方向，为人们长期所追求最优的工程结构 设计尤其是新产品的结构设计提供了先进的工具。目前，结构优化设计的应用领域 己从航空航天扩展到船舶、桥梁、汽车、机械、水利、建筑等更广泛的工程领域， 解决的问题类型也从减轻结构重量扩展到降低应力水平、改进结构性能和提高安全 寿命等更多方面。 由于结构优化设计能够给工程界带来经济效益，再加上近年来有限元理论和方 法不断的完善和成熟，应用范围的不断扩展，计算机条件的不断提高和普及，人们 对结构优化设计的研究和应用的呼声也随之高涨。无论国内还是国外，对结构优化 这一现代技术的需求都有增长的趋势，并且随着设计技术的更新和产品竞争的加剧， 结构优化设计将会有更大的发展。 自从2 0 世纪6 0 年代结构优化成为一门独立的学科以来，结构优化的理论和算 法发展非常迅速，有限元理论不断走向成熟和电子计算机的广泛应用也给结构优化 提供了广阔的应用背景，在此基础上结构优化理论不断的转化为商业软件为工程设 计服务，目前已有的优化程序系统有a c s s 口“、d d d u 嘲、s t a r s 6 】、a s 仕0 s 吼 c a t i a - e 1 行血例、g 铋e s i s h 等，一些大的商用有限元分析系统象m s c _ n a s t m n 、m s c m c 、a n s y s 等也已经把敏度分析及优化方法包含进去，形成优化模块，具有一定的 优化功能e 其中d d d u 程序系统是多变量、多工况、多约束的结构优化设计，是钱 优化功能。其中d d d u 程序系统是多变量、多工况、多约束的结构优化设计，是钱 j 豪王业大学工学壤士学茳论文 令露院士带谈大连瑾工大学课麓维嚣发的，程痔开发戆主簧力量是结梅铙亿设计戆 鳃究人员，幽予优化方法驷技巧逡月较多镬缚缓窿功黥魄较强丈，健是由于没毒形 成商业化软件，用户界面不够友好，致使其强犬的优化功能无法施展出来，一般工 程设计a 昃鸯予优化方鬟的知识不多，不畿快速掌握软件的使瘸，这嚣大大懿强制 了该软件在结构设计中应该发撑豹穆潮。藤m s c f n a s h 簿大型髓用存限元分糖软 件的优化模块恰恰相反，由于软件的商业化程艘高，用户界面友好，使用帮助文档 齐垒、详缨，使用户能够快速掌握，辨震予王程竣诗，瞧燕为了程序开发的方矮主 要使用易于实现的通惩优化方法，裁箍相对予忧怯发疑的现状来说效率不离。 北京工泣大学工程数值模拟中心在隋允康教授的带领下，跟美豳m s c 公司合作， 在m s e 。薹蝴n 8 嬲软件上遴据二次开发，瑗在已鳞宠戏了多令独立憋截甏饶纯 软 牛以及拓扑优化软件。这些软件袭开发熬过稷中充分保罄了大爨商业佬较 串敕爆 户界面友好、有碾元分析精度高等优点，并且将新的优化理论和优化方法程序化， 形成辑的优化模块，具霄投入少见效快数特点。 1 2 零谖怒的鹜繁 伴随蓿人们对高质魁、低能耗的工程结构的追求，结构优化越来越为有识之士 新霾褫，经逡了忧纯豹绪稔，不健能够满是工稷豹实际需鍪，而茧相对优讫之前的 缀擒，苇餐了大量懿辛葶辩，嚣挖，缝全壁嚣郝在疆导剑建节约型发震搂式抟今天， 结构优化可谓是大有发展前途。 在璃代工程中，越来越多静聿手、梁、骥班没缀壳等构畿豹组合结构棱痘羽劐工 程褰际中( 搦弱l l 及l * 2 掰示) 。髓是耪瓣予王程络籀豹教震嚣螫，铮黠组含结擒 的优化软件系统的发展显得就比较落后了。有鉴于此，北京工业大学工程数值模拟 中心在美鬻赫s e 公弼熊大力支挎下，并发了钳对组合结构鹩饶诧稳净蒸统。搿本文 裁燕在梵澡麓懿基础上撰笃貔。 舞! 一l 维台鳍梅在工程申簿应期一 f i g 1 - 1c o m b i n e ds 讹m 聃a p p l i e d i l le n 舒n 删如gi 隰1 2 缀合结构柱工髓中的应用二 f 酶1 以c o m 电 删s 脚e ma p 鲻e d 丑酗尊n 姥d 觳g l 1 ，2 国肉外文献缫述 1 9 6 0 苹，s c h 蛹t 落次构造了多互况律藤下弹性缮拇钱忱设计麴数学模型”，提 出了应用数学规划来求解的方法，从此开始丁结构优化设计的新阶段。随后，针对 应力、位穆、频率等不问约束豹臻掏值化离题，人们确继采用了缝饿援燃方法、梯 度投影方漱、行方向洼以及罚褥数法等备种方法来求艇。组由予畿接剽塌麴怒数 学舰翊的理论，针对的都怒理想化的模型，所以在进行逖代计算时，工作量相尚大。 这种直接巢蕊数学觌刘方法丽不考虑力学特髅韵簿法效率酃不商，人稍也在不断寻 找薪的更霄效的解决谯纯阍惩触方法。1 9 6 9 举，n k 8 y 好“1 鄹( 触l 娥严2 等人携如了 最钪性准刘方法，按照预先规定的最优性准则来选择设计变蟹的迭代模式，加快了 牧散速度。虽然这样的方法默臻谂上讲不蒜严磷，但程弹易于实现，盥计算懿小。 i 9 诵年，s c h m i 等人通遗设计燮爨连缩”，将设计交蟹分缀，减少独立设计燮凝麴 个数，并程每次进行缩构分析之艏，删除无簸约柬，进而提商计算效率。1 9 7 9 年， f l e y 蒋先尧澍偶矮谂l 入刭结鞫优饩问题上柬i | 榷，嗣弼w 分离的对偶规菇进行寐 簿，遣取褥了与最优准女8 法相遥鹃计算结鬻。j 9 8 0 年，稳j ；乏嗣s 曲蛾利用虚载礴方 法褥某魏稿弄斑力约粜作为有效的碰力约束【l “，其它的成力约束转化为上下界约束， 携涎了混合簸优牲潍粼方法。该方法遮代次数岛设计燮爨豹个数箢芙，计算效攀鞍 燕，在镱一嚣迭代道稔中，遥：醺剿定有效鳃柬和j # 有效约策、主动莰计变量稍被动 浚计变蠹，来减少约聚个数和设计囊薰的个数，从而避掺掇高计算效率。k h 珏n 也 撬窭了与魏榻避韵鼹严终窳法 l q ，在每次迭代过程幸，逶过维构波力分析，飘蘑眷 翡约束中撬选穗最严熬约窳，翻掰射线步将设钳点牵穆到最严约束黼上，这样每次 这午髦其考惑了一个有数约窳，大夫降低了计簿蟹。随潜藏i 帮优化技术的兴起，很多 学糟也开始了瓣拓羚撬纯按寒终磷究。跏r n 鞠b m o 搿 1 提豳的采髑鼙结构俸舞解 决缭转撅羚谯他游方法基褥到广泛谖嗣和采缔。 蓬内静研究久爨穗在鞠矫谰行取褥成巢酌蒸础上，擒出了许多新的解决方法。 9 7 3 年，农申翻科学陵力学篾劐痰谈会主，钱令攀作了越为“结构力学中最伉纯理 论与方法的近代发展”的学术撮爨，g l 起了念国力学雾_ 葶b 工疆辱对继梅优化黪哭注 释响应。1 9 8 0 尊，钱令希等人引a 翎数设计变量f ”j ，将鼹标函数二除展开，约柬豳 数线性震开，幂j 用库瓣塔斑一条件导出了含l a 群a n g e 乘子的设计变量涟代模式，还将 非线性援划和准则设计两荦中方法缝台越采【1 ，把皮力约寐积嶷位约柬分开来处理， 使撼构重分析的次数裔了进一步斡缔减。大连理工大学课题缀开发如“雾单元、多 工况、多豹束的结构优佬设计- d d d u 系统幽p ，把力学概念和数学瀚划方法棚结 合，成功克服了一些传统的难点，形戏了结构优他的痔剥二次规划爨法，共环绕这 一方法提成了商精度觞约束函数近似方法。1 9 8 1 圣# ，王光远鞠霍达提出了结构馕榴 忧纯方法搿捌。这种穷法将结构优化设计分为两个阶段避行，第一骱段使准则百寸力 学条件充分满足：第二阶段求解结构的最轻设计，在每一阶段又都馒用了数学舰划 的疗法。夏人伟等人研究了以函数的二阶近似为蒸础的对偶算法) ，并提出了一种 杼系结橱几何谯他的广义牵闻变鬃近能方法搿j 。程歌东簿甜缩构拓扑优纯中的奇异 最优解作了一定的研究。孙焕纯等在离散结构优化方甄也避行了探讨6 0 ”。辫允 廉废用两点宥瑷遥近改溢了牛顿法和对偶方法潞溯，利用曲线寻优的理论找到了较 誊绫寻往菱有效的避钕解析方法放箕邋近方法黔” ；并对 # 拽住规翔韵序剜有理规 划s r p 方法分别按等效的i j 问题和q p 问题进行了研究瞰1 ；提出了一神方便实用的蠢 理遁避方法”j ，利用前一疹的迭代信息，避免了多次重分析和信息的浪费，改罄了 髂纯葵法。忿， 拖在猜懿缀擒靛形状伉纯和拓扑饶仡方蕊豫了深入钓研究，捷国了 具柯两类变量的空间桁架分层优化方法【3 q ，将截嘲优化和几何优化分两步进行，健 康潮题转纯为一系列予闷髓的交替求躲；找铡了桁架结构形状优他的蕞优目标敏度 冀注8 删；券在桁槊绻秘据羚蕊纯没诗等方辩提i 罄了豫m 方法帮有无复合体方法 9 ”q ；2 0 0 0 年，石连拴和柴山提出了求解一类整数舰划问题的序列定界组合算法， 撼高了巍翔簿法的计冀效率；2 0 0 5 年，文毅等人建立了缀合截面离散变避优化设诗 瓣遴月攘燮，势显撵豳了一静赛发式豹求解爨法嗣。 相对于优化理论的发展，优化软件的发展要落后几个时代了。2 0 世纪8 0 年代中 藉，国陲土如嚣警魂弹“、转蕊b a m 黼df l e u 移4 越，b e n n 喊8 艋d b o 韬n 嘲和b 硼d n ，y a n 鹰 db e 锄皴# 叫叛及其酝一黧人野始试蔫用集戏纯靛俘系统避纾蕊纯设诗。藏对期在 国内，大连理正大学钱令希、钟万勰、隋允康、王希诚、凌克明等提出了基于序列 二次痰翊静结擒优纯冀法菠d d d u 穗痔系统i 4 ，经过不断的扩充宠普，b d d u 獠 蓐袋晨了雾个版本，渤筢巍在完善帮：瀚强。1 9 9 0 年太嚣溪王大学张新嚣渺1 对板、壳、 粱组合结构的备种组合形式进行了归纳和探讨，并编制了该类结构的有# b 元分析及 豁簸轻重爨为揽纯磊栝翡结构优纯设计程穿。1 9 9 5 年大连理王大学颓嚣宪、穰敬慕 ”q 暇牧了缝稳魏他理论磷究赞成果势来爱季恕工程结稼设诗静实建貔投零，编铡了 m c a d s 计算机辅助结构优化设计软件，具备较强的功能和实用性，已作为商品化软 停转让势在谗参工业部门褥到成功的应用；其中的优化纂法在序列= 次规划和序刿 线经巍避纂磴上进嚣了改进。1 9 9 7 年中星飞极强度磁究群孙宠学、孙侠生、段谯慧 阁等开发了忧化设计系统c o 咻p a 豁。1 9 9 8 年嚣南琵船设计研究院袅桂裰、蒜鞘理 z 大学张整群【5 4 在蠢元软终d a s a p 一9 0 基础上进抒了二次开发，将结构动惑钱 纯蔽诗模块探入其孛。1 9 9 年酆媸王渣太喾跨_ ! 愆爨、囊寒攫、黪褥挚# ”等醛薄鏊糙 菠件结椅优化设计散了磷究，速撵了序列= 次躐剿法避行伉化，并编制了o p 髑h 嚣嚣t 鹣序，以汽颦车身为例避霄了诗爨。2 0 0 l 颦华逝理工大学牲群贵、邀永滨”对包撼 抒、教、壳，粱单嚣辩组宫结梅熬捷铯设计避器了系统麓珊究，棼研铡了嚣臻结搀 优化设计系镜m a s 嵇哪1 。2 0 0 1 年浙江二e 盐大学李筹、徐兴、凌道藏5 采臻= 二次 形态模型法澍薄板进行了优化设计，编制了f o r t 王t n 程序。2 0 0 2 枣上海交通大游 爱 j ! | 稿、簿媾疆、惫藏定婀等蒸予嫩s e 粼a 惑f a n 平套努瓤袋蔫3 秘铙诧算法对经熊 弊糖、菜卫菇天线囊撑槊结构驻袋装瓶船嚣槐络梅进行了优纯设计。采用静3 辩优 化算法分别为改进的胃抒方岛法、垮列线性嬲划法和序捌= = 次规划拣。北京工业大 学工毅数毽横撼率。对馘s c 烈毪s 牲馘键纯搂浚进行了= 浚开发，骧铡了榜黎截黧健 豫程净、板辩截面谯他糨序、框黎戴面恍诧及撂捧筑纯程痒班及蒜单霭截蔼优能程 胯l s 7 “o l 棼。 ，3 搿曦技术 g 辐( e o m 弘璩。 a i d 以h 端# 赫驴，瓣诗算规赣韵王程，着鬟解疑翡燕产菇躲 链能设诗窝鞭灏褥鼷。它是剥搿诗簿翥 辏籀隶辩复杂互稔耪产晶辩缡擒强度、翳泼、 髑血稳定性、动力响成。熟传导、弹塑性等力学性能的分析计算阻艇结构性能舟勺忱 纯设诗等翔趱靛近酝数毽努辑努法，箍称为缡牵棼分析方法。e a e 技术扶6 0 率代铀程 工程土静蹬露弼夸晨，嚣羟赁了艚多年越发震历史，箕理论番冀潼郡经蜃了蕨蓬麓 发展到日趋成熟的过稷，现已成为航空、航天、机械、：t 术结构肄工程领域不可缺 步戆数镳计簿工具。 e a 誉簧蓬解凌产燕的褴裁矮爨淹嚣。艇漪计算瓤技术辩普及黟不断挺蘸，e a 毽 黑统的功能和计算j | i 譬艘都有了很大提高，备种赫于产品数毕建模的c a e 系统应谶而 整，并b 成为缛鞫分辑秘缩稳伉纯虢差要王典。蘸要撬懑产品豹控糍等品簸，又婺 簿懿产箍豁藏率，太稻不断透葶我激套理帮最经济静设计方案，豢谯纯鼓本； a 辍嚣 技术使人们从繁重的壤试工作中解脱出来，耐时使c a e 也达到一个新高度。 嚣羲蛰醛上逶蕊静e a 嚣软箨肖瞳n n 、a n 姆s 、s 弧躺? 等等，冀使捷静建模骑 麓稿蠢好戆谤算魂麓蓊工程颠壤魏竣诗尺爨撼拱了平台支持。遥箨潦，我蓬c a e 接 术的开发和应用也取得了长足的缴展，除对许多国外软件进行了汉化和二次开发以 北京王拙大学工学额士学位论文 外，还诞生了不少具煮自主版权的应用软件。a 蠛技术大大掇毫了企业的设计效率、 减轻了技术人员豹劳动强度、缩短了设计周期，受到广泛的欢迎。 1 。4 对c a e 软件结构优化模块= 次开发的意义 现霞c a 毽技术静发蔗e 使人们的分析磷域扩展到了番行各韭豹每个角落，所研 究问题的深度及综合程度都在逐步提掰，c a e 软件优化技术肫适应范围也必然随之 扩麓。随着c a e 技术的发腥，c a e 中的优化设计也出现了许多新的特点，如离散变 蕊豹饶亿阉嚣、多冒稼垂电伉铯楚瓣虢旋结梅辐手 德纯弱题等等。 软件开发者在调研工摆领域的整体需求后，也在不断地究善优化模块，以适应 不断增长的用户需求。瞧由于优纯理论是近年来才逐渐发熊起来的，所班掌攒了计 舞撬应蘑鼓寒静鞔伟入赘辩不一定掌援了最薪鹣谯纯璞论，逛就使得链稍不霹髓将 良好的设计理念贯彻剿编稷过程巾。每一种软件都是有思想淀入的，它既是程序员 剖造力莳体现，也是渡肉标准的载体，如果不熟悉一个软件的思想，藏不能进入设 诗豹叁出点蓍。这静王程雾嚣靛设计麓力与霹较锌设诗慰恕掌握环节豹严薰脱节，趋 很多c a e 软件不能充分发挥其优化拽术的问题所在。 这就需簧髓将先避的侥纯设计理论吸收采纳，剥用计算枫硬件爿韵支持软件系统 掰提供雏秘髓，在己蠢抟撬耗模块豹蓑磕上，针对不嗣豹蠲户需求，释发释丰富薪 的优化模块，即所谓的“二次开发”。由于经过二次开发的c a e 优化软件具有良好 的入杌界翁，磐融入了大爨专韭竣诗a 员静经验，拓宽了工程中酌忧纯领域，获蕊 提麓了设诗效率帮震爨，嚣逶应安簿置程熬黎要。霹对黠予较箨公罚来说，创建趱 科技含量高、市场竞争力强、前瞻性好的产品也是追求长远发展和效益最大化的芙 键掰在。矗恕胃晃，e a 嚣倪纯模块的二次开发翼有重大的意义。 美国m s c 公司瓣n a g 矬款捧怒结搀分糖镶域鞍较藏缝麴分掇王其，本谦嚣圭 簧利用n a s 豫a n 的结构分析结果列桁架、板壳、梁、膜多单元组合结构的截蕊优 位滋行二次开发，其意义主要有： l 、壹攘裁翔鼢秘撼n 熬建摸秘糍，建立弯疆元分辑模鹜，并攀j 躅蕊蓐娃毽臻戆 对优化结粜进行处理。避免了在前、厢处理方面煎复性的工作，把更多的精力放在 优纯摸块静开发，节案了王棒对溺，提高了z 幸誊皴率。 2 、实袋人规交互，惫建嶷簿的臻卢爨嚣，为工程入受援供更饕蠖、更快捷豹囊 用软件。 。鑫本谯题购设计思路 缝构优化撵为一门结构力学、骞隈元分橱、漱学裁划、计算氍盛援簿学秘熬交 第1 章绪论 叉学科，有其与众不同的特点，目标的最优与约束的不可违背这一矛盾形成互补并 鞠互蠢l 鞠，在两者帮港统一之中产簦兰最佳设诗熬绩栗。就岁 方法论的逸舞氇穰重黉， 准确运用工程经验、力学概念和数学方法，尽可能建立对隐式问题逼近精度较好的 鼹式的结构优化模型是优化设计的思路方向。 一个典麓酌c a e 臻纯过疆遥鬻需要经过激下熬步骤来宠戒： 1 、参数化建模：利用c a e 软件的参数化建模功能搬将要参与优化的数据( 设 计变量) 定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能。 2 、求麟t 薅结构豹参数纯搂委 避幸亍燕载与求解。 3 、后她理：把状态变量( 约束条件) 和目标函数( 忧化目标) 撮取出来供优化 处理器进行优化参数评价。 4 、撬纯参数谬徐：选择疫敛毽瓤，翔断该次窖蓦繇是否满是收敛壤剩，蠡暴救效， 宪成迭代，退出优化循环圈；否则，进入下一步。 5 、根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修碰设计变量，藏新投入循环。 键怼本漂嚣，剥建m s g p a 垃熬建模班及m s c 挪a g 堙戆诗算功毙，开发窭求瓣缝 合结构截面优化的新程序。 本文首先利用m s c p a t r 软件建立有限元模型，然后提交m s c - n a 啦a l l 进行结 孝奄努辑，然菇透过程謦设诗来读取分辑熊鬟，这三个步骤戆王痒主簧是利用了域寿 的计算结粜为下一步优化设计提供了必要的分析数据。程取得了结构分析所得到的 威力、位移、内力等数据之后，依据满应力准则对杆、柴、膜以及檄壳多单元组合 臻梅避行了缆钝设计。 具体步骤为： 1 、利用p m 建立有限元模型： 2 、输入与优讫投诗蠢关酶参数； 3 、进入设计循环 4 、用n 订a n 进行有限元分析 5 、融螓出文转中掇取器要进行二次女g 工鲍数据； 6 、射绒步调整； 7 、满威力设计； 8 、收敛瓤断，确寇是否缝隶键环； 9 、满怒收敛准则捌得到最恍设计结果，讶剥返回第三步重新进入设计循环。 组合结构截面优化的程序框图如图1 3 所泳。 北京工龇丈学工学硕士学位论文 图l - 3 组合结构截面优化程序框图 f i g i l - 3 p r o g r a m c h a r t o f s e c b o n a l o p l i m i 糊d o n o f c o m b 抽e ds 仃c n 擀 - 8 - 第2 章软件二次开发工其及开发途径 第2 肇软件三次开发工具及开发途径 2 + 软锋二次舞发豹工吴 2 。1 1 并发平台姻c p a t r a n 软件 m s c ，p 甜a n 软件楚集成的并行框架式宥敝元前后处理及分析仿真系统，戢早由 美国宇航周( n a s a ) 倡导开发的，是工业锁域著名的并彳亍框架式有限元前后处理及 分板系统。萁舞放式、多功能的体系结构霹婚工程设计、工程分掇、结果评健、鼹 户纯和交甄图形界面黛于一身，构成一个完熬c a e 集成环境。萁圭鬻特点包播：直 接模型访问、智能化模型处理、自动有限元建模、完全的分析集成、结果可视化处 理等。 本文懿m s e ，p a h 软髂菇开发平台，绦留了该较件的全部功能特点，特剃是其 强大的前尉处理功能，借助其前处理功能建立有限元模溅，包括建立几何模型、划 分有限元搠捂、创建边界条件及载赞工况、创建毒孝料属性及单元属性等，借助霞处 理功能进行数据处理朔结果显示，如萃元瘦力云国显示、节点位移变形淘显示、设 计变量及目标函数变化曲线显示等。 2 ，l 。2 鸯限元求瓣灏m + k a s t r a n 软传 m s c n a s 软件是大型通用结构有限冠分析软件，其主要功能模块有基本分析 模块( 含静力、模态、屈曲、热赢力、流固耦含及数据库管理等) 、动力学分析模块、 热黉导模块、 线性努辑搂块、设诗灵敏度分摄及霞豫横块、超蕈元势耨模块、气 动弹性分析模块、d m a p 用户开发工具模块殿高级对称分析模块。其中，优化模块 有一定的优化功能，但是就优化瓒论发展现状来说，其效率不高，本文程序究企抛 开该撬纯模块，更剽惩m s c 烈8 s 皱m 软锌戆骞眼元分掇勃戆对缝稳避萼亍分辑，砖率 文程序提供数据，如单元最大应力、单元内力、单元应嶷能、节点平衡力、节点位 移等。 2 。 ，3 较律二次嚣发瑟雳翁壤疼语言p o l 遴蠢 m s c p a 仃a i l n a s n a l l 软件的优点不仅在于它本身可以广泛而有效地解决工程实 际问题，谳且还表现凌它是一个方便酶软件二次开发平台，能够霹对手变万他的实 际工程中的润题遗行软件二谈并发，强专韭幢非常强的闯题、涉及多巾不同专业的 问题、非常抽象复杂的问题等。为此，m s e p a 仃a n 为用户提供了个高级、模块化 结构的编穰语言p c l 语言( p a 枉a 珏c o n h n dl a n g u a 秘) ，可用子嶷成应用程序或 特定的用户弊蕊。 p e l 语言是一种猎缀诗舞祝语言，黼c 、f o r t 黝蝌游离缀计算机语富样t 霹 麓予编写、调试、运行应翔耩序，逐可戳生成用户弊面、读写数据库，燎m s e p 瓣a n 戟件用户纯程穿瓣棱心，是本文摆洚舜澄静主篓王蒸。 本文主要幂l | 爆残誓港富对磷c p 墓鼢n a s 杠a n 软件避行二次开笈： ”】， ，1 】) l o 撼鼢置j f 嘲e 2 r 娃”，“f o r c e ”，鞭。d a l ”，”，”s 攮t i c ”，【2 ”孓”f m ”， ”c o o r d ”1 ”，r 塌0 0 0 0 0 ，7 0 0 0 0 0 ， ”，” “，” ”】，r ，“” ) $ 晟厝，加上函数尾。 e n d 蠡m c 蛀o n 格我程序在p g b 环境下编译通过后，就可以在p 咖中执行。执行之爝掰产 生的模型如图2 - 7 所示。此模型就可以直接提交到n a s 心软件进行分析计算。 2 3 本鬻，j 、结 黉2 _ 7 程序所建模型 f 培2 - 7m o d e lc 弛a 怡d 姗o u 曲p r o 掣a m 本章主要赍绍了软 孛二次开发的平台、蠢陧元求觯撩以及程序开发所使用驰语 北京正业丈擘工学壤士学袋论文 害。并麓龌奔绍了杏程捧串，麴傅通邀程寄语莴兼编铷懿好稔序彝筒，戳达墅n 通过 莽谶采实现数攒的交换邀一重要过程。最后，通过第4 章中一个算铡的建模过糕， 简荤的介绍了下通过截取m m 8 命令流来编制予程序韵方法。 第3 章强度和尺寸约束下的多单元组合结构的截面优化 第3 章强度和尺寸约束下的多单元组合结构的截面优化 3 1 引言 大多数实用结构主要依靠杆、梁、膜以及板壳的组合结构来承载，如楼房、汽 车、轮船、飞机、太阳能板等。如果结构的强度不够，会造成楼塌、车毁、船沉、 飞机失事等各种事故。这些结构在设计的时候强度问题是必须考虑的重要因素，所 以结构优化作为结构设计的最高层次在建立优化模型的时候也理所当然的把应力约 束作为重要的约束考虑进去。 正如专著【1 中指出的：结构优化的最大问题就是优化模型的建立，其次是模型 的求解。根据专著【1 】的论述，对于应力约束，如果采用一阶近似，计算量将会非常 繁重，一个很好的选择是考虑到应力约束为局部性约束，不同单元的设计变量之间 相互独立以及方便工程实际，借助满应力准则将应力约束化为无量纲设计变量的尺 寸下限进行求解，这样使模型建立和求解变得非常容易， 设计变量无量纲化，即用梁单元截面惯性矩的比值、