文档介绍：江苏科技大学
硕士学位论文
基于微观遗传算法的结构可靠性形状优化设计方法研究
姓名:宋树权
申请学位级别:硕士
专业:机械制造及其自动化
指导教师:王明强
20070320
第一章绪论
第一章绪论
选题背景及意义
概述
随着科学技术的发展,工程结构复杂性的增加以及对结构设计时效性要求的提高,
传统的结构设计方法已不能满足要求,因此结构优化设计方法应运而生。以计算力学、
数学规划理论和计算机技术为支撑的结构优化设计为结构设计提供了先进的工具。结
构优化设计技术的应用大大缩短了结构设计的设计周期,提高了效率,同时能够在可
行设计域中得到最优设计方案。
形状优化设计作为结构优化设计的一个重要分支,可以通过改变区域的几何形状
来达到某种意义下的最优,并要求某些物理量在边界上满足某种要求,以改善结构的
特性。而其中更多的是降低应力集中,改善应力分布状况。实践表明,结构的形状优
化设计是解决应力集中破坏问题的有效途径之一[1]。它通过改变区域的几何形状来达
到某种意义上的最优。因此利用常规设计手段完成零件的整体尺寸设计后,再利用形
状优化技术对零件的局部边界形状进行优化,使得设计的零件在整体结构上满足设计
准则的要求,在局部区域又改善了应力分布。同时通过形状优化不仅可以降低应力集
中,更重要的是提高了材料的利用率,使载荷能够均匀分布在结构的材料上。
同时在现实世界中,工程结构所受的载荷作用都是随机的,加之在材料制备及加
工过程中的种种原因,材料的物理和几何参数都有一定程度的随机性。对某些结构,
这种随机性的影响往往是不可忽略的,对此类结构进行结构设计时,确定性的设计无
法全部反映这些问题的特点。为使所设计的结构更符合工程实际,必须考虑这些参数
的随机性,结构可靠性设计方法以工程可靠性理论为基础,是一种更加真实反映工程
结构工作状况的设计方法。
结构可靠性优化设计方法将可靠性设计的概念引入结构优化领域,在结构优化设
计中将材料性能参数、载荷以及设计变量等作为随机变量,以可靠性分析为基础进行
结构件的结构优化设计。它弥补了单纯可靠性设计和单纯优化设计的不足,既能定量
地给出结构工作过程中的可靠性指标,又能得到最优的设计方案,因而是一种更先进、
更具工程应用前景的综合设计方法[2-3]。
随着计算机应用技术的提高,以有限元分析技术为基础的形状优化技术得到了发
1
第一章绪论
展。而将随机有限元与可靠性分析和优化设计结合起来的可靠性形状优化设计,不仅
可以优化设计参数,而且能够解决复杂的工程结构建模,并在优化过程中能更方便、
更充分地考虑这些参数的随机性,因此更加符合工程实际,能够做出更加经济可靠的
设计[4]。
课题来源
本课题对结构可靠性形状优化理论及其实现方法进行研究的同时,结合企业协作
项目——柴油机发电机组壳体铣键槽专用机床设计进行了应用。针对柴油机发电机组
壳体铣键槽专用机床中立柱结构的工作特性,应用可靠性形状优化设计理论对其进行
了可靠性形状优化。
研究现状及发展趋势
可靠性优化设计研究现状
可靠性设计可以确保或预测所设计的产品在规定的使用条件下和规定的使用时间
内完成规定功能的概率,确保产品可靠性指标的实现,但不能保证产品具有最佳的工
作性能和参数匹配,最小的结构尺寸和质量,最低的成本和最大的效益。所以,要使
产品既满足可靠性要求,又具有最优的设计结果,就必须将可靠性设计理论与最优化
技术结合起来,既采用可靠性优化设计方法。
可靠性优化设计方法是在常规优化设计方法的基础上,结合可靠性设计理论,发
展起来的一种有效的优化设计方法。它将可靠性分析理论与数学规划方法有机地结合
在一起,也就是将可靠性要求作为追求的目标或者约束条件,运用最优化方法得到在
概率意义下的最佳设计的一种数值计算方法。它弥补了单纯可靠性设计和单纯优化设
计的不足,既能定量地给出结构工作过程中可靠度指标,又能得到设计方案的优化解。
因而是一种更先进更具工程广泛应用前景的综合设计方法。
和[5]首先提出利用随机规划方法解决工程中具有随机设计参数的
优化设计问题,之后被众多学者广泛地应用于结构的安全设计中[6-7]。和
最早提出了基于可靠性的重量最小的优化公式[8],开创了可靠性优化设计研究的先河。
结构可靠性优化设计使结构优化设计从安全系数法的理论扩展到在满足一定的安
全可靠性指标下,降低应力水平、改进结构性能、降低设计成本、提高使用寿命的崭
新阶段,构成了该领域研究的前沿方向。目前可靠性优化还主要局限于结构的尺寸优
化层次,而且大部分是将经典的可靠