基于组合优化算法的结构稳健优化设计方法研究与应用

论文摘要

在传统的结构优化设计研究中,设计变量通常被视为确定的量,并没有考虑它们可能产生的的不确定性,这也最终会导致结构性能的不稳定。因此有必要考虑设计变量实际中存在的变差,本文即以火炮中的典型部件为研究对象,研究和探索了结构稳健优化设计方法在典型机械结构中的应用。首先对结构稳健优化设计方法进行了深入的研究,在iSIGHT中进行了优化算法的二次开发,将多岛遗传算法与改进Hooke-Jeeves算法相结合,提出一种基于组合优化算法的6σ结构稳健优化设计方法。其次建立了闭气结构和后大架的三维实体参数化模型,并在ABAQUS里进行静力学刚强度分析,评估其结构性能。在iSIGHT中,搭建结构稳健优化设计平台,集成PRO/E和ABAQUS,实现机械结构的“设计—分析—稳健优化—再设计”。最后提出一种中心加密试验设计方法,对初始设计空间进行更加有效的探索；为了得到设计响应和设计变量之间的关系,需要进行大量的实验,这必将消耗大量的资源和时间,因而本文分析研究了响应面与Kriging两种近似模型,将Kriging近似模型应用到实例中,极大地降低了计算时间；多岛遗传算法中的迁移操作保持了优化解的多样性,提高了包含全局最优解的机会,但收敛速度较慢,本文开发的改进Hooke-Jeeves算法,可以进行有效的局部加速搜索,提高了得到全局最优解的机会,应用本文开发的这种组合优化算法,可以很好的提高结构稳健优化设计的效率。闭气结构与后大架稳健优化设计的成功,说明了本文研究与探索的结构稳健优化设计方法是具有一定的实用价值,可以解决机械结构设计中的一些实际问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 选题的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 结构稳健优化设计的发展趋势
• 1.4 本文研究的内容
• 2 结构稳健优化设计的基本理论和方法
• 2.1 结构优化设计
• 2.2 稳健设计
• 2.3 结构稳健优化设计
• 2.4 多学科优化软件iSIGHT简介
• 2.4.1 iSIGHT起源
• 2.4.2 iSIGHT优化功能
• 2.4.3 iSIGHT优化流程
• 2.5 本文采用的结构稳健优化设计方法
• 2.6 本章小结
• 3 基于组合优化算法的6σ结构稳健优化设计
• 3.1 概述
• 3.2 试验设计
• 3.2.1 正交试验设计（OA）
• 3.2.2 拉丁方设计（LHS）
• 3.2.3 最优拉丁方设计（OLHS）
• 3.2.4 本文的DOE策略—基于最优拉丁方的中心加密试验设计（ZXJM）
• 3.2.5 闭气结构试验设计结果
• 3.2.6 试验设计结果分析
• 3.3 组合优化策略
• 3.3.1 多岛遗传算法（MIGA）
• 3.3.2 基于iSIGHT的优化算法二次开发—改进Hooke-Jeeves算法（GJHJ）
• 3.3.3 本文采用的组合优化策略（MIGAandGJHJ算法）
• 3.3.4 基于MIGAandGJHJ组合算法的闭气结构确定性优化
• 3.4 近似模型
• 3.4.1 响应面模型
• 3.4.2 Kriging模型
• 3.4.3 闭气结构两种近似模型优化结果对比
• 3.5 6σ结构稳健优化设计
• 3.5.1 6σ结构稳健优化设计模型
• 3.5.2 6σ结构稳健优化设计中的采样技术
• 3.5.3 闭气结构确定性最优解6σ稳健校核
• 3.5.4 闭气结构6σ结构稳健优化设计
• 3.6 本章小结
• 4 某牵引炮后大架结构稳健优化设计
• 4.1 后大架静力学有限元分析
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 后大架静力学有限元模型
• 4.1.3 后大架静力学结果分析
• 4.2 后大架参数化建模
• 4.3 后大架优化集成
• 4.4 后大架试验设计
• 4.5 后大架近似模型设计
• 4.6 基于MIGAandGJHJ算法后大架确定性优化
• 4.7 后大架6σ结构稳健优化设计
• 4.8 后大架结构稳健优化设计有限元结果验证
• 4.9 本章小结
• 5 结束语
• 5.1 工作总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录