结构动力响应优化和结构动力鲁棒设计研究

论文摘要

许多结构不光要承受静载荷作用,还要受到动态激励。多数情况下,结构破坏的主要因素是动荷载的作用。对于此类结构,为了改善它们的动力特性,达到动力响应最小和控制振动的目的,或者确保它们在动力环境下能够安全可靠地工作,必须进行结构的动力设计。目前结构动力响应优化问题的研究已有大量成果,但在应用上大都只能针对具体的结构,开发的动力优化软件不具备对任意复杂工程结构进行动力响应优化设计的能力。因此,本文将结构分析软件MSC NASTRAN与多学科设计优化集成平台ISIGHT软件结合,实现了两软件的自动连接,从而解决了结构动力优化软件的通用性问题。以某一模型支架为研究对象,考虑模型支架受到随机的基础激励,以模型支架中的几何尺寸为设计变量,以结构重量最轻、关键点的振动加速度均方根最小为优化目标,以结构满足安全性要求为约束条件,利用该集成软件对模型支架进行了动力响应优化。为验证优化结果的正确性,加工制作了模型支架,并对优化前和优化后的模型支架进行了基础激振实验。实验结果验证了优化计算的正确性。随着社会的进步与科技的发展,近年来,人们对工程系统性能的要求越来越高。人们在致力于提高系统性能和产品质量的探索中,关于鲁棒性的研究成了一个热点议题,越来越多的研究人员把鲁棒性作为一个系统质量好坏的评判标准。因此,鲁棒优化设计方法应运而生,在解决这类问题中突显了很大的优势。目前在工程领域,鲁棒优化设计在静力学中的应用日趋成熟,但在动力学中的应用还很少。作为对上述结构动力响应优化问题研究的延伸,本文还进行了结构动力响应的鲁棒优化设计研究。采用Monte carlo方法和摄动有限元方法处理结构中的随机因素,建立了结构动力响应鲁棒优化的数学模型。利用MATLAB编程,对承受动载的减振器和门形框架进行了鲁棒优化设计。与传统的优化设计方法相比,算例结果显示了鲁棒优化设计的优越性,能使结构具有更稳定的性能。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 本课题研究背景
• 1.1.1 结构动力优化设计的发展现状
• 1.1.2 结构动力优化设计的分类
• 1.2 鲁棒优化设计方法简介
• 1.2.1 鲁棒性
• 1.2.2 鲁棒设计
• 1.3 本文研究的内容和目的
• 1.3.1 本文研究的目标
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 1.3.3 本课题拟采用的研究方法及技术路线
• 2 集成ISIGHT 与NASTRAN 实现结构动力响应优化
• 2.1 引言
• 2.2 有限单元法简介
• 2.3 ISIGHT 与NASTRAN 的集成
• 2.3.1 MSC.Patran/Nastran 简介
• 2.3.2 Isight 简介
• 2.3.3 生成结构计算的数据文件
• 2.3.4 ISIGHT 集成优化的方式
• 2.3.5 NASTRAN 与ISIGHT 集成中的特别之处
• 2.4 模型支架的优化设计
• 2.4.1 初始模型支架的设计
• 2.4.2 模型支架的优化
• 2.4.3 结果分析
• 3 结构动力学的鲁棒优化方法研究
• 3.1 鲁棒设计
• 3.1.1 鲁棒设计方法的应用
• 3.1.2 鲁棒性
• 3.1.3 鲁棒设计
• 3.1.4 动力学的鲁棒优化设计方法
• 3.2 处理随机因素的摄动有限单元法
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 矩阵摄动基础
• 3.2.3 摄动有限元法的基本理论
• 4 动力响应鲁棒优化设计的两个实例
• 4.1 多目标优化方法、Monte Carlo 模拟法和遗传算法思想
• 4.1.1 多目标优化方法及其应用
• 4.1.2 Monte Carlo 模拟法
• 4.1.3 遗传算法思想
• 4.2 减振器的鲁棒优化设计
• 4.2.1 减振器的鲁棒优化设计
• 4.2.2 与传统的优化设计结果比较
• 4.3 门形框架的鲁棒优化设计
• 4.3.1 门形框架的鲁棒优化设计
• 4.3.2 与传统的优化设计结果比较
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 6 致谢
• 参考文献
• 附录