结构优化软件SOGA的工程实用化研究 ——杆板组合优化

论文摘要

本文从工程应用实际出发,在已有结构优化理论与算法研究成果基础上,总结前人将通用有限元分析软件ANSYS与优化导重准则法相结合开发结构优化设计软件SOGA的成功与不足,继承了模块化编程思想和解析位移敏度的间接计算方法,成功地解决了利用ANSYS接口程序进行数据交流而导致的解题规模受限的问题。 为突破ANSYS接口程序的节点限制,本文采用APDL提取单元的基本信息,自己编程计算单元刚度矩阵的方法。为此需要彻底了解ANSYS的单元特征及其所采用的形函数,在认真研究了ANSYS的理论手册之后,基本搞清了板壳单元SHELL63的理论细节,完成了平面应力板结构以及平面杆板组合结构的敏度分析模块的编制,使SOGA软件从对ANSYS的完全依赖逐步走向独立,为其发展成为通用的结构优化平台扫清了障碍,向实现软件的工程实用化迈出了关键性的一步。 对一精心设计的平面杆板组合算例进行了位移约束最小重量设计的优化计算,分析结果合理,优化效果显著,表明本文的工作是正确可靠的。以ANSYS为分析器的结构优化软件SOGA能充分发挥ANSYS与导重法两者的长处,具有优化效率高、效果好、实用性强的优点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 结构优化的概念及其研究意义
• 1.2 结构优化方法的发展与现状
• 1.2.1 数学规划法和优化准则法
• 1.2.2 近似概念和对偶法
• 1.2.3 自然模拟法
• 1.2.4 其他优化问题
• 1.3 优化软件的发展
• 1.4 本文的工作
• 1.4.1 问题的提出
• 1.4.2 本文的主要工作
• 第二章 二轴水泥车结构优化设计
• 2.1 二轴水泥车结构介绍及优化设计问题的提出
• 2.2 二轴水泥车结构有限元分析
• 2.2.1 有限元模型的建立
• 2.2.2 结构静力分析
• 2.2.3 与测试结果的对比
• 2.3 二轴水泥车的优化设计
• 2.3.1 几何形状优化
• 2.3.2 构件尺寸优化
• 2.4 优化设计分析总结
• 第三章 SOGA软件的优化方法介绍
• 3.1 结构优化设计数学模型的处理
• 3.1.1 结构优化数学模型
• 3.1.2 设计变量的处理
• 3.1.3 约束与目标的处理
• 3.2 导重法理论简介
• 3.2.1 单约束导重法
• 3.2.2 导重的意义与迭代控制
• 3.2.3 多性态约束导重法
• 3.2.4 库恩-塔克乘子的求法
• 3.3 结构优化的敏度分析
• 3.3.1 敏度分析的概念及分类
• 3.3.2 重量函数的敏度分析
• 3.3.3 位移函数的敏度分析
• 3.3.4 应力函数的敏度分析
• 3.3.5 基频函数的敏度分析
• 第四章 SOGA的现状与发展必要
• 4.1 原有SOGA的设计思想及方法
• 4.1.1 与ANSYS的数据交流
• 4.1.2 模块化思想
• 4.1.3 解析敏度的求解
• 4.1.4 数学模型的处理
• 4.1.5 优化迭代算法的改进
• 4.2 原有SOGA存在的不足
• 4.3 改进计划
• 第五章 含板壳单元SOGA的工程实用化研究
• 5.1 ANSYS参数化设计语言
• 5.2 板壳单元刚度矩阵的组集
• 5.2.1 SHELL63单元特性与位移函数
• 5.2.2 平面应力板单元刚度矩阵及其敏度
• 5.2.3 平板弯曲单元刚度矩阵及其敏度
• 5.2.4 局部坐标系下板壳单元刚度矩阵及其敏度
• 5.2.5 板壳单元刚度矩阵的坐标转换
• 5.2.6 总体刚度矩阵的组集及求导
• 5.3 杆板组合结构的刚度矩阵
• 5.4 程序的编制
• 5.4.1 与ANSYS的有机集成
• 5.4.2 敏度分析模块的编写
• 第六章 程序验证优化算例
• 6.1 优化算例结构介绍
• 6.2 有限元模型的建立
• 6.3 优化算例结构初分析
• 6.4 优化设计结果及对比
• 6.5 优化结果分析
• 第七章 总结与后续工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录