以ANSYS为分析器的结构优化软件研制——杆板组合结构优化
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摘要
以前的结构优化设计领域的研究工作主要集中在理论探讨和算法研究上，工程推广应用研究较少。开发一个高效实用的结构优化软件，对于加速普及优化技术在工程实际中的应用，具有重要现实意义。
本文从工程应用实际出发，在以ANSYS为分析器的结构优化软件SOGA基础上，进一步扩充了其软件的单元库，使该软件的功能从只能进行杆系结构优化扩充到可以对板壳结构和杆板组合结构进行优化。
本文将ANSYS分析器与结构优化导重法有机集成，形成了一个通用高效的杆板组合结构优化软件，重点解决了利用ANSYS作为分析器进行杆板组合结构解析灵敏度分析计算的难点。
本文还针对求解结构优化非线性准则方程组的步长因子算法在自动迭代计算中存在的问题，提出了一种求解准则方程组的自动高效迭代算法—拟埃特金法，算例表明该迭代算法具有收敛快，无需人为干预，适用范围广的优点。
本文对几个板壳结构，杆板组合结构优化算例进行了优化计算，取得了满意的优化效果，进一步验证了该软件具有实用性强和收敛速度快的特点。
Research work on structural optimization is mainly concentrated on theories and methodologies previously. It is still far away from practical appliance in engineering. Therefore, to develop an integrated software system will be considerably beneficial to the application of optimization in engineering.
From the practical need of engineering application, this paper has added the shell optimization function based on the former software only can perform sizing optimization of bar and beam element.
The paper also realized the analytical sensitivity analysis of structure optimization and data interchange between optimization and analysis, integrated ANSYS with Guide-weight criteria method into an embryonic form of general optimization software.
This paper discusses two difficulties that are encountered in the course of exploring optimal design and introduces the method of step-length factor which is used by a efficient method of structure optimization-Guide-Weigh Method and some problems during automatic iteration calculation. Finally, it
puts forward an automatic and efficient arithmetic--Similar-Aitken
Algorithm to solve a group of criterion equations of structure optimization. This method has these advantages of high efficiency, no need of being interfered by people and wide applicable field, which has been proved by a number of examples.
The optimal results of several shell and truss-shell combine structures verified the practicability, validity and speed convergence of the software.
本文从工程应用实际出发，在以ANSYS为分析器的结构优化软件SOGA基础上，进一步扩充了其软件的单元库，使该软件的功能从只能进行杆系结构优化扩充到可以对板壳结构和杆板组合结构进行优化。
本文将ANSYS分析器与结构优化导重法有机集成，形成了一个通用高效的杆板组合结构优化软件，重点解决了利用ANSYS作为分析器进行杆板组合结构解析灵敏度分析计算的难点。
本文还针对求解结构优化非线性准则方程组的步长因子算法在自动迭代计算中存在的问题，提出了一种求解准则方程组的自动高效迭代算法—拟埃特金法，算例表明该迭代算法具有收敛快，无需人为干预，适用范围广的优点。
本文对几个板壳结构，杆板组合结构优化算例进行了优化计算，取得了满意的优化效果，进一步验证了该软件具有实用性强和收敛速度快的特点。
Research work on structural optimization is mainly concentrated on theories and methodologies previously. It is still far away from practical appliance in engineering. Therefore, to develop an integrated software system will be considerably beneficial to the application of optimization in engineering.
From the practical need of engineering application, this paper has added the shell optimization function based on the former software only can perform sizing optimization of bar and beam element.
The paper also realized the analytical sensitivity analysis of structure optimization and data interchange between optimization and analysis, integrated ANSYS with Guide-weight criteria method into an embryonic form of general optimization software.
This paper discusses two difficulties that are encountered in the course of exploring optimal design and introduces the method of step-length factor which is used by a efficient method of structure optimization-Guide-Weigh Method and some problems during automatic iteration calculation. Finally, it
puts forward an automatic and efficient arithmetic--Similar-Aitken
Algorithm to solve a group of criterion equations of structure optimization. This method has these advantages of high efficiency, no need of being interfered by people and wide applicable field, which has been proved by a number of examples.
The optimal results of several shell and truss-shell combine structures verified the practicability, validity and speed convergence of the software.
引文
1．张玉凯，机械优化设计入门，天津科学技术出版社
2. Schmit, L.A.,Structural design by systematic synthesis. Proc. of Conf. On Electronic Computation, ASCE. New York(1960): 105～122
3．隋允康，建模-变换-优化，结构综合方法新进展，大连理工大学出版社，1996
4. Walther F, Baumgartner A, Mattheck C. Finding new designs for pressure tools using optimization methods which are based om the simulation of biological growth. Computer Aided Optimization Design of Structures, 1993,3:601～622.
5．汪树玉，刘国华，包志仁，结构优化设计的现状与发展，基建优化，1999，Vol．20(4)，3-4
6．陈少军，大型复杂结构优化的准解析法：[博士论文]，北京：北京航空航天大学，1998
7．顾文炯，结构优化的多点逼近导重法及通用程序研制：[硕士论文]，北京：北京 航空航天大学，1995
8．陈树勋：《天线结构优化设计》，西北电讯工程学院硕士选集，1981年
9．陈树勋，叶尚辉，《天线结构优化设计的准则》，固体力学学报，1984年4期
10．许素强，夏人伟，结构优化方法研究综述，航空学报，1995，Vol．16(4),385-396
11. Ye Shanghui (叶尚辉), Chen Shuxun (陈树勋), An Optimality Criterion Method For Antenna Structure Desige, Poster of 16th ICTAM Denmark, 1984
12. L.A.Schmit, Structure synthesis-its genesis & development, AIAA, J. vol 19,No. 10, 1981, 1249-1263
13．张向 许晶月等，面向对象的有限元程序设计，计算力学学报，1999，5
14．魏权龄，王日爽，数学规划引论，北京航空航天大学出版社，1991
15. W. Pager and J.E. Talor, Problem of Optimal structural design, J. Appl.Mech,.35,1968,102,106
16. V. B. Venkayya, N. S. Knot and V.S. Reddy, Optimization of structure based on the study of strain energy distrubution, AFFDL-TR-68-150, 1968, 11-153
17．华东水利学院，弹性力学问题的有限单元法，水利电力出版社
18. Rozvany G I N. Structure design via optimality criteria, Dordrecht: Kluwer Academic publishers, 1989
19. Rozvany G I N. Continuum optimality criteria methods for large finite element
systems with a displacement constraint[J] . Jour. Structural Optimization, 1989,1 (1)
20. M.W. Dobbs R.B. Nelson, Application of optimality criteria to automated structural design, AIAA J,Vol 14,No. 10,1976, 1436-1443.
21．钱令希，隋允康，张近东，多单元、多工况、多约束的结构优化设计—DDDU程序系统，大连工学院学报，Vol．19，No．4，1980
22．陈树勋，精密复杂结构的几种现代设计方法，北京航空航天大学出版社，1992
23. L.A. Schmit, H. Miura, Approximation concept for efficient structural synthesis, NASA CR-2552,Mar. 1976
24. L.A. Schmit, H. Miura, A new structural analysis/synthesis capability-ACCESS 1, AIAA J, 14,May, 1976, 661-671
25. G. Kreisselmeier and R. Steinhauser, Systematic control design by optimizing a vector performance index, Proc. IFAC Symp. On computer aided Design of Control Systems, 113-117
26. R.T. Haftka, Joel A. Nachlas, Layne T. Watson, Thomas Rizzo and Tajendra Desai, Two point constraint approximation in structural optimization, Computer Meth. In Applied Mech. And Engineering,60,1987,289～301
27．黄季墀，夏人伟，何庆芝，一种具有自适应能力的结构综合方法，航空学报，vol．8，No．10，1988
28．黄海，二级多点逼近结构优化方法的研究及其应用，北京航空航天博士论文，1993
29．黄海，夏人伟，复杂结构优化设计的二级多点逼近方法，航空学报，vol．15，No．7，1994，870～786
30. N.S. Khot, L. Berke, V.B. Venkayya, Comparison of optimality criteria algoriths for mininum weight design of structures, AIAA/ASME 19th Structures, Struct. Dyn. And Mater. Conf., 1978, 37-46
31. N.S. Khot, L. Berke, V.B. Venkayya, Minmum weight design of sturctures by optimality criterion and projection method, AIAA/ASME/ASCE/AHS 20th Structures, Sturue. Dyn. And Mater. Conf., 1979, 11-22
32. Fleury, C.,Geradin, M. Optimization Criteria and Mathematical Programing in Structural Weight Design, Comput. Struc., 1978, vol. 8(1), 7～18
33. G. Sander, C. Fleury, A mixed method in structural optimization, Int. J. Number. Meth. In Eng. Vol. 13, 1978, 385-404
34. L.A. Schmit, C. Fleury, Structural synthesis by combining approximation concepts and
dual methods, AIAA J., Vol. 18, Oct. 1980, 1252-1260
35. L.A. Schmit, C. Fleury, Dual Methods and approximation concepts in structural synthesis, NASA CR-3226, Dec. 1980
36. C. Fluery, First and second order convex approximation strategies in structural optimization, Jour. Structural Optimization, Vol. 1, No. 1, 1989, 3-11
37. Svanberg K. Int J Num Mech Eng Vol.24,1987, 359-373
38. Kirkpatrick S., Gelatl C.D., Vecchi M.P., Optimization by simulated annealing, J. Scinece, 1983,220, 671-680
39．康立山，谢云，尤矢勇，非数值并行算法——模拟退火算法，北京：科学出版社，1994
40. Hopfield J J, Tank D W., Neural Computating of decision in optimization. Bol Cybern,1985,(52), 141-152
41. Bertoni A, Dorigo M. Implicit parallelism in genetic algorithms, Artificial Intelligence, Vol. 61(2), 1993, 207-314
42．王勖成，邵敏编著《有限单元法基本原理和数值方法》清华大学出版社，1997年 3月第2版
43．郑承沛，材料力学，北京工业大学出版社，1994
44．刘鸿文，板壳理论，浙江大学出版社，1987
45．张铃，张钹，遗传算法机理的研究，软件学报，2000(11)，945-952
46．柴天佑，恽为民，席裕庚，遗传算法的收敛性与计算效率问题，控制理论与应用，1996，Vol．13(4)，455-460
47．刘伟权，王明会，钟义信，利用遗传算法实现手写体数字识别中特征维数的压缩，模式识别与人工智能，1996，Vol．9(1)，45-51
48．徐洪泽，张福恩，一种改进的遗传算法及其在系统识别中的应用，哈尔滨工业大学学报，1997，Vol．29(4)，72-75
49．第四届世界结构和多学科优化大会会议论文集，大连：辽宁电子出版社，2001，1-5
50．陈一君，多目标模糊优化理论及其在制造系统中的应用，四川轻化工学院学报，2002，Vol．15(3)，22-25
51．陈树勋，工程大系统设计的普遍型分解协调优化，中国机械工程，1999，Vol．10(7)，799-802
52. Vanderplaats G.N., ADS: A Fortran Program for Automated Design Synthesis,
Engineering Design Optimization, Inc. Santa Barbara, California, 1985
53．顾元宪，程耿东，计算机辅助结构优化设计软件MCADS的开发与应用，计算结构力学及其应用，1995，Vol．12(3)，304-307
54．黄海，冉红军，夏人伟，工程结构优化程序系统ESSOS，计算结构力学及其应用，1995，Vol．12(3)，323-331
55. J.L. Chen, P. Hajela, OPSYN: A CAD based expert system for optimum structural synthesis, Jour. Eng. Opt. Vol. 14, No.4 1989, 267-286
56. M. Balachandran, J.S. Geo., A knowledge-based approach to mathematical design medeling and optimization, Jour. Eng. Opt. Vol. 12, No.2 1987, 91-116
57. G. Mattheck, Why they grow, how they grow: the mecnanics of trees, Jour. Arboricultural, Vol. 14, 1989, 37-46
58. V.V. Toropov, Simulation approach to structure optimization, Jour. Stru. Opt. Vol. 1, No.4, 1989, 37-46
59．陈树勋，李威龙，双模轮胎硫化机结构的优化设计，机械设计与制造，2002(5)，66-68
60．陈树勋，李威龙，一种实用的机械结构优化设计方法，机械设计，2003，Vol．20(1)，41-43
61．陈树勋，喻定新，吴朝生，一种求解结构最优设计的自动高效迭代算法，2004(4)
62．S．S．雷欧著，祈载康，万耀青，梁嘉玉译，工程优化原理及应用，北京理工大学出版社，1990
63．孙焕纯，柴山，王跃方著，离散变量结构优化设计，大连理工大学出版社，1995
64．钱令希，工程结构优化设计，北京：水利电力出版社，1983
65．王光远，论工程优化，计算结构力学及其应用，1994，vol．11(2)，199-204
66．王利民，航天器板-杆结构优化设计多导法程序研制：[硕士论文]，北京：北京航空航天大学，1999
67．梁醒培，结构优化设计的解析灵敏度算法，机械强度，1998，Vol．20(2)，156-159
68．张旭明，王德信，结构灵敏度分析的解析方法，河海大学学报，1998，Vol．26(5)，44-49
69．王荣昌，应稼年，王文亮，结构优化设计中的灵敏度分析，振动与冲击，1996，Vol．15(1)，1-3
70．杜群贵，迟永滨，通用结构优化设计系统的研究与实现，机械，2001，Vol．28(6)，22-24
71．ANSYS技术报告，ANSYS．Inc., 1998
72. ANSYS5.5, ANSYS Operation Guide, ANSYS. Inc., 1998
73. ANSYS5.5, ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide, ANSYS. Inc., 1998
74. ANSYS5.5, ANSYS APDL Guide, ANSYS. Inc., 1998
75. ANSYS5.5, ANSYS Programmer' Manual, ANSYS. Inc., 1998
76．唐章宏，薛赛男，冯峰，梁晖，Visual Fortran程序设计，北京：人民邮电出版社，2000
77．许素强，结构尺寸、几何、拓扑优化的新方法：[博士论文]，北京：北京航空航天大学，1993
78．黄海，二级多点逼近结构优化方法的研究及其应用：[博士论文]，北京：北京航空航天大学，1990
79．王利民，航天器板．杆结构优化设计多导法程序研制：[硕士论文]，北京：北京航空航天大学
80．李威龙，陈树勋，优化程序研制，机械设计，2003
2. Schmit, L.A.,Structural design by systematic synthesis. Proc. of Conf. On Electronic Computation, ASCE. New York(1960): 105～122
3．隋允康，建模-变换-优化，结构综合方法新进展，大连理工大学出版社，1996
4. Walther F, Baumgartner A, Mattheck C. Finding new designs for pressure tools using optimization methods which are based om the simulation of biological growth. Computer Aided Optimization Design of Structures, 1993,3:601～622.
5．汪树玉，刘国华，包志仁，结构优化设计的现状与发展，基建优化，1999，Vol．20(4)，3-4
6．陈少军，大型复杂结构优化的准解析法：[博士论文]，北京：北京航空航天大学，1998
7．顾文炯，结构优化的多点逼近导重法及通用程序研制：[硕士论文]，北京：北京 航空航天大学，1995
8．陈树勋：《天线结构优化设计》，西北电讯工程学院硕士选集，1981年
9．陈树勋，叶尚辉，《天线结构优化设计的准则》，固体力学学报，1984年4期
10．许素强，夏人伟，结构优化方法研究综述，航空学报，1995，Vol．16(4),385-396
11. Ye Shanghui (叶尚辉), Chen Shuxun (陈树勋), An Optimality Criterion Method For Antenna Structure Desige, Poster of 16th ICTAM Denmark, 1984
12. L.A.Schmit, Structure synthesis-its genesis & development, AIAA, J. vol 19,No. 10, 1981, 1249-1263
13．张向 许晶月等，面向对象的有限元程序设计，计算力学学报，1999，5
14．魏权龄，王日爽，数学规划引论，北京航空航天大学出版社，1991
15. W. Pager and J.E. Talor, Problem of Optimal structural design, J. Appl.Mech,.35,1968,102,106
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17．华东水利学院，弹性力学问题的有限单元法，水利电力出版社
18. Rozvany G I N. Structure design via optimality criteria, Dordrecht: Kluwer Academic publishers, 1989
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22．陈树勋，精密复杂结构的几种现代设计方法，北京航空航天大学出版社，1992
23. L.A. Schmit, H. Miura, Approximation concept for efficient structural synthesis, NASA CR-2552,Mar. 1976
24. L.A. Schmit, H. Miura, A new structural analysis/synthesis capability-ACCESS 1, AIAA J, 14,May, 1976, 661-671
25. G. Kreisselmeier and R. Steinhauser, Systematic control design by optimizing a vector performance index, Proc. IFAC Symp. On computer aided Design of Control Systems, 113-117
26. R.T. Haftka, Joel A. Nachlas, Layne T. Watson, Thomas Rizzo and Tajendra Desai, Two point constraint approximation in structural optimization, Computer Meth. In Applied Mech. And Engineering,60,1987,289～301
27．黄季墀，夏人伟，何庆芝，一种具有自适应能力的结构综合方法，航空学报，vol．8，No．10，1988
28．黄海，二级多点逼近结构优化方法的研究及其应用，北京航空航天博士论文，1993
29．黄海，夏人伟，复杂结构优化设计的二级多点逼近方法，航空学报，vol．15，No．7，1994，870～786
30. N.S. Khot, L. Berke, V.B. Venkayya, Comparison of optimality criteria algoriths for mininum weight design of structures, AIAA/ASME 19th Structures, Struct. Dyn. And Mater. Conf., 1978, 37-46
31. N.S. Khot, L. Berke, V.B. Venkayya, Minmum weight design of sturctures by optimality criterion and projection method, AIAA/ASME/ASCE/AHS 20th Structures, Sturue. Dyn. And Mater. Conf., 1979, 11-22
32. Fleury, C.,Geradin, M. Optimization Criteria and Mathematical Programing in Structural Weight Design, Comput. Struc., 1978, vol. 8(1), 7～18
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36. C. Fluery, First and second order convex approximation strategies in structural optimization, Jour. Structural Optimization, Vol. 1, No. 1, 1989, 3-11
37. Svanberg K. Int J Num Mech Eng Vol.24,1987, 359-373
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41. Bertoni A, Dorigo M. Implicit parallelism in genetic algorithms, Artificial Intelligence, Vol. 61(2), 1993, 207-314
42．王勖成，邵敏编著《有限单元法基本原理和数值方法》清华大学出版社，1997年 3月第2版
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48．徐洪泽，张福恩，一种改进的遗传算法及其在系统识别中的应用，哈尔滨工业大学学报，1997，Vol．29(4)，72-75
49．第四届世界结构和多学科优化大会会议论文集，大连：辽宁电子出版社，2001，1-5
50．陈一君，多目标模糊优化理论及其在制造系统中的应用，四川轻化工学院学报，2002，Vol．15(3)，22-25
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55. J.L. Chen, P. Hajela, OPSYN: A CAD based expert system for optimum structural synthesis, Jour. Eng. Opt. Vol. 14, No.4 1989, 267-286
56. M. Balachandran, J.S. Geo., A knowledge-based approach to mathematical design medeling and optimization, Jour. Eng. Opt. Vol. 12, No.2 1987, 91-116
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58. V.V. Toropov, Simulation approach to structure optimization, Jour. Stru. Opt. Vol. 1, No.4, 1989, 37-46
59．陈树勋，李威龙，双模轮胎硫化机结构的优化设计，机械设计与制造，2002(5)，66-68
60．陈树勋，李威龙，一种实用的机械结构优化设计方法，机械设计，2003，Vol．20(1)，41-43
61．陈树勋，喻定新，吴朝生，一种求解结构最优设计的自动高效迭代算法，2004(4)
62．S．S．雷欧著，祈载康，万耀青，梁嘉玉译，工程优化原理及应用，北京理工大学出版社，1990
63．孙焕纯，柴山，王跃方著，离散变量结构优化设计，大连理工大学出版社，1995
64．钱令希，工程结构优化设计，北京：水利电力出版社，1983
65．王光远，论工程优化，计算结构力学及其应用，1994，vol．11(2)，199-204
66．王利民，航天器板-杆结构优化设计多导法程序研制：[硕士论文]，北京：北京航空航天大学，1999
67．梁醒培，结构优化设计的解析灵敏度算法，机械强度，1998，Vol．20(2)，156-159
68．张旭明，王德信，结构灵敏度分析的解析方法，河海大学学报，1998，Vol．26(5)，44-49
69．王荣昌，应稼年，王文亮，结构优化设计中的灵敏度分析，振动与冲击，1996，Vol．15(1)，1-3
70．杜群贵，迟永滨，通用结构优化设计系统的研究与实现，机械，2001，Vol．28(6)，22-24
71．ANSYS技术报告，ANSYS．Inc., 1998
72. ANSYS5.5, ANSYS Operation Guide, ANSYS. Inc., 1998
73. ANSYS5.5, ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide, ANSYS. Inc., 1998
74. ANSYS5.5, ANSYS APDL Guide, ANSYS. Inc., 1998
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76．唐章宏，薛赛男，冯峰，梁晖，Visual Fortran程序设计，北京：人民邮电出版社，2000
77．许素强，结构尺寸、几何、拓扑优化的新方法：[博士论文]，北京：北京航空航天大学，1993
78．黄海，二级多点逼近结构优化方法的研究及其应用：[博士论文]，北京：北京航空航天大学，1990
79．王利民，航天器板．杆结构优化设计多导法程序研制：[硕士论文]，北京：北京航空航天大学
80．李威龙，陈树勋，优化程序研制，机械设计，2003