大型起重船臂架结构拓扑优化设计-研究

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1、天津大学硕士学位论文第一章绪论这样臂架在所能达到的范围内最稳定。另外，对于起重机臂架顶部横杆的宽度理论上来讲为零最优，这样的臂架结构形式最稳定，但是考虑到在吊重过程中，横向主杆需要安装一定的滑轮组以起升重物，所以至少要留有安装滑轮组的空问。因此在优化计算过程中将横向主杆的长度作为一个参变量进行优化。为了对臂架结构形式进行拓扑优化，将横向辅助杆件与底部的距离作为设计变量，当杆件之间的距离小于5m时，程序设定为减少一根横向辅助杆件以及两杆之间的斜拉杆。并且，当杆件的受力小于105N时，程序会自动去除此杆件，以此达到对结构进行拓扑优化的目的。1．1结构优化设计的历史及

2、发展状况在第二次世界大战期间．由于军事上的需要产生了运筹学，出现了许多用古典微分法和变分法所不能解决的最优化方法。随着电子计算机技术的发展与应用，20世纪50年代在应用数学领域发展形成了以线性规划和非线性规划为主要内容的数学规划理论，应用于解决工程设计问题，形成了适用于工程设计的优化设计理论和方法【11。优化设计理论研究和应用实践的不断发展，使传统设计方法发生了根本的变革，从经验、感性和类比为主的传统设计方法过渡到科学、理性和立足于计算分析的现代设计方法，工程设计正在逐步向自动化、集成化和智能化方向发展。而目前对于各交叉学科的不断发展，提出了一种新型的优化方法一

3、群体智能优化方法。优化设计是从20世纪60年代发展起来的，将最优化原理与计算机技术应用于设计领域的科学设计方法，已经在机械、宇航、电机、石油、化工、建筑、造船、轻工等各个行业得到广泛的应用，获得显著的技术与经济效益。优化设计本身存在的问题和某些发展趋势【2】主要有以下几方面：1)目前优化设计多数还局限在解决参数最优化这～类数值量优化问题。非数值量优化问题(如结构型式的选择，即拓扑优化)还需进一步研究解决。参数优化方法最典型的应用范围是直径、长度等尺寸的优化。在事先确定改变若干局部结构形式的条件下进行尺寸优化，也可采用参数优化方法，但由于局部结构形式的改变使数学模

4、型产生间断和跳跃，会给优化带来一定困难，因此会受到一定的限制。结构形式的优化，如用实腹结构代替桁架结构，一般很难采用参数优化方法，只是在特殊情况下分别对两种结构形式进行参数优化，然后再根据参数优化结果进行结构形式的优选。2)优化设计这门新技术在传统产业中普及率还比较低。主要原因是：优化2天津大学硕士学位论文第一章绪论方法比较复杂，入门需要较长的时间；方法应用起来比较困难，自动优化常常受阻：对每一个新的优化设计问题，均需重新编制优化程序，工作量很大。因此要大力加强实用性优化软件的开发。3)从理论上讲，优化设计希望能找到全局最优方案，至少也是一个局部最优的方案。由于

5、工程实际问题的复杂性，目标函数和约束函数的性态均比较复杂，要实现上述目标不是花费大量的时间，就是无法达到。因此在实用上人们已经把优化的目标扩大，并根据不同的优化设计问题，考虑不同的优化目标。如果优化数学模型比较简单或者虽然较复杂，但函数性态较好，这时我们可以去追求局部最优乃至全局最优这样的目标。否则，只要能找到一个比原来较优的方案，或者能达到一定功能要求的方案即可。所以优化目标可以是以下三种(1)寻找最优设计方案；(2)寻找在一定程度上得到改善的方案；(3)寻找满足产品功能要求的方案。4)把优化设计与CAD、专家系统结合起来是优化设计发展的趋势之一。如图1．1表

6、示优化、专家系统和CAD三者结合时的相互作用关系。专家系统根据优化设计问题的具体情况，可以通过知识库去选择合适的参数优化方法，以实现对优化程序的控制。优化方法选定之后，通过优化程序与CAD系统的结合即可进行优化计算，优化结果可由图形显示。如果经专家系统评价，该优化设计问题不宜采用参数优化方法，专家系统也可直接通过知识库去定设计方案的几何尺寸，并通过CAD系统计算后显示图形。专家系统L用矩识鏖塑一JCAD系统利用知识层控制优化方案的化定义图1-1专家系统、CAD系统和优化程序之间的相互作用关系天津大学硕士学位论文第一章绪论1．2拓扑优化的原理及发展前景通常把结构优

7、化按设计变量的类型划分成三个层次：结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化。尺寸优化和形状优化已得到充分的发展，但它们存在着不能变更结构拓扑的缺陷。在这样的背景下，人们开始研究拓扑优化。结构拓扑优化p】是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，它在计算结构力学中已经被认为是最富挑战性的一类研究工作。目前有关结构拓扑优化的工程应用研究还很不成熟，在国外处在发展的初期，尤其在国内尚属于起步阶段。’拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。寻求一个最佳的拓扑结构形式有两种基本的原理：一种是退化原理，另一种是进化原理。退化原

8、理的基本思想是在优化前将