应变能约束下多随机参数连续体结构的拓扑优化

研究几何和物理参数均为随机变量的平面连续体结构在结构总应变能约束下的拓扑优化设计问题．以结构总质量均值最小化为目标函数,以结构的形状拓扑信息为设计变量,以结构总应变能概率可靠性指标为约束条件,构建了随机结构的拓扑优化设计数学模型．利用代数综合法,导出了应变能响应的均值和均方差的计算表达式．采用双方向渐进结构优化的求解策略．通过两个算例验证了本模型及求解策略的合理性和有效性．     

疲劳寿命约束下的连续体结构拓扑优化

在连续体结构拓扑优化设计中,优化模型通常考虑强度、刚度、稳定性等力学性能.为研究在结构优化设计中疲劳特性对于结构拓扑的影响,基于独立、连续、映射(independent continuous mapping, ICM)拓扑优化方法,引入了疲劳寿命过滤函数,提出了连续体结构疲劳拓扑优化的模型和求解方法.建立以结构质量最小为目标、疲劳寿命为约束的连续体疲劳拓扑优化模型,通过将疲劳寿命约束转化为应力约束,对优化模型进行了求解.数值算例对比了不同刚度过滤函数、疲劳寿命过滤函数的系数,得到了过滤函数系数对结构质量与结构构型的影响规律;研究了疲劳寿命和应力分别作为约束时拓扑优化结果的差异性,给出了不同的循环外载荷工况情况下的算例,得出了随循环外载荷变化时的结构质量及结构构型.研究结果验证了连续体疲劳拓扑优化理论的有效性与可行性.     

基于体系可靠性的随机桁架结构优化设计

建立了具有位移和体系可靠性约束的随机桁架结构优化设计数学模型，利用基于随机因子的有限元法对结构进行了可靠性分析．由于优化中处理结构体系可靠性约束较困难。提出了一种通过可靠度分配和再分配的方法。将给定体系失效概率依据结构敏度信息分解成为各杆件单元失效概率之和。解决了基于体系可靠性优化中关于可靠性求解的难点．     

随机变量下的热传导结构拓扑优化设计

研究具有随机变量的稳态热传导结构在散热弱度约束下的拓扑优化设计问题．建立了以单元相对导热系数为设计变量,导热材料体积极小化为目标函数,满足散热弱度可靠性指标为约束条件的稳态热传导结构的拓扑优化设计数学模型．基于随机因子法,利用代数综合法推导出散热弱度的数字特征的计算表达式．采用渐进结构优化方法(Evolutionary Structural Optimization,ESO)求解,并利用过滤技术消除优化过程中的数值不稳定性现象．通过两个算例验证文中模型及求解策略、方法的合理性和有效性．     

应力约束下汽车车架结构的拓扑优化设计

为了得到汽车车架的概念化设计,本文基于独立、连续、映射方法,给出了汽车车架结构的计算机辅助优化设计的有效方法．采用应力全局化策略,将局部的应力约束转化为全局的应变能约束问题,建立了以结构质量为目标,应力约束下的汽车车架结构的拓扑优化模型,研究了多工况应力约束下连续体结构拓扑优化问题．另外,利用对偶理论,将建立的优化模型转化为对偶模型,用序列二次规划法进行了求解．对车架结构的数值分析表明了该方法的可行性与有效性．     

基于小波神经网络的结构系统可靠性优化设计

针对具有非正态随机参数的可靠性优化设计,利用随机摄动-Edgeworth级数方法,将可靠性概率约束转化为等价的确定型约束,并运用优化算法求取结构可靠性优化设计的初始点。利用随机模拟-小波神经网络方法有效地解决了具有多失效模式的结构系统可靠性优化设计中系统功能函数难以显性表达的问题。并利用网络的逆映射功能实现了结构系统可靠性优化设计,实验结果表明上述方法是行之有效的。     

整体式柔性机构的多目标可靠性拓扑优化设计

在用多目标连续体拓扑优化方法设计整体式柔性机构时,将材料弹性模量和外载荷视为随机变量,因而作为目标函数的机构应变能和交互势能亦为随机变量．采用一次二阶矩可靠性理论中的Hasofer-Lind和Rackwitz-Fiessler方法,推导了应变能与交互势能双模式串联时的系统失效概率的迭代计算公式,建立了一个整体式柔性机构多目标可靠性拓扑优化设计对偶数学模型,采用序列凸规划理论中的对偶算法进行优化求解．以反向器柔性机构设计作为仿真算例,结果表明,随着可靠性约束指标的增大,拓扑优化设计结果趋向保守．     

静载和疲劳荷载共同作用下结构可靠性优化设计

通过对静载和疲劳载荷共同作用下结构系统的可靠性分析,得到了结构系统可靠性指标的计算式,并将可靠性指标作为约束函数建立优化模型,对结构的重量进行优化.采用改进的遗传算法进行结构优化设计,通过对编码方式和遗传算子的改进,使收敛性能大大改善,提高了局部搜索能力.算例表明,改进的遗传算法是一种解决静载和疲劳荷载共同作用的高效结构优化方法.     

注塑机后模板顺序优化设计研究

为了有效地降低注塑机模板的重量，提出了从高层次拓扑优化到底层次参数化优化的顺序优化设计方法.该方法基于拓扑优化设计以及参数化优化设计理论，运用密度方法建立结构的拓扑优化数学模型，用优化准则(OC)法对拓扑优化问题进行求解，运用敏度过滤技术解决棋盘格式和网格依赖问题.对拓扑优化得到的模型进行规整，并采用基于连续非约束最小化技术(SUMT)的子问题近似法, 对规整后的模型进行参数化优化，得到最终的顺序优化模型.研究结果表明，与原有的后模板模型相比，用该顺序优化方法得到的后模板模型的刚度和强度均有提高，体积明显减少.     

基于概率的柔性铰链机构的优化设计

研究了具有随机参数的平面柔性铰链机构的位移放大和刚度性能的优化问题．从概率统计角度出发，将各设计参数看作随机变量，建立了基于概率的柔性铰链机构优化设计模型，并用Monte Carlo模拟法得到了柔性机构性能及一些约束函数的均值和方差，优化设计求解采用Lagrange乘子法，利用分布函数法将模型中的可靠性约束等价处理为常规约束形式，通过优化设计得到了优化设计向量．根据所得优化设计向量分别得到了机构性能的计算结果，结果表明，当设计参数分散性变大时，优化设计结果偏于保守。     

在静载和疲劳载荷作用下结构系统失效机理与可靠性分析

在结构系统使用过程中,将可能出现多种失效形式,例如静载失效或疲劳失效.根据疲劳载荷造成的累积损伤对结构极限应力的影响,给出了结构构件在基于累积损伤下的构件剩余抗力的表达式,分析了结构系统中每一个单元在静载和疲劳载荷作用下的失效形式,并考虑了该两失效模式之间的相关性对该单元可靠性的影响,具体分析了结构系统在静载和疲劳载荷作用下的失效机理,给出了在静载和疲劳载荷作用下结构系统的可靠性分析方法.数值算例表明,在不同的使用年限内,静载和疲劳载荷对结构系统可靠性的影响是不同的.在结构系统主要失效路径中,既有单元静强度失效又有单元疲劳失效,这是符合结构系统使用真实情况的.     

同时考虑结构系统强度和疲劳的可靠性分析

在以往的结构可靠性分析过程中,结构系统的静载和疲劳载荷失效情况大多是分别考虑的,这与许多实际工程结构(如船舶等结构)是不相符的.根据疲劳载荷造成的疲劳累积损伤对结构极限承载力的影响情况,研究了结构承载能力的可靠度计算方法.以结构累积损伤和结构初始抗力的形式给出了一个综合结构抗力变化历程的等效抗力,讨论了结构系统在静载和疲劳载荷作用下的两种失效模式,并考虑了二者之间的相关性对结构系统可靠性的影响;用改进的分枝限界法寻找主要失效模式,并用二阶矩方法计算各失效模式的可靠性指标;然后用PNET法计算结构系统可靠性.算例表明,虽然分别考虑静载或疲劳载荷作用下的结构系统可靠性较高,但综合考虑两种失效状态时,结构系统可靠性却较低.即疲劳累积损伤会降低结构的极限承载能力可靠性.因此,对结构系统同时考虑强度和疲劳的可靠性分析是必要,是符合工程实际的.     

基于累积损伤的结构系统时变刚度可靠性分析

基于累计损伤的结构系统时变刚度可靠性分析,对设计寿命期内结构系统刚度可靠性指标的影响非常重要.根据疲劳载荷造成的累积损伤对材料极限应力的影响,结合材料强度与弹性模量之间的关系,给出了结构构件在基于累积损伤下剩余弹性模量的表达式,并导出了在外载作用下刚度失效时安全余量的具体表达式.采用改进的一次二阶矩方法求解可靠性指标,用改进的分枝限界法寻找主要失效模式,然后用PNET法计算结构系统可靠性.数值算例表明,结构系统在设计寿命内虽然满足了系统疲劳可靠性的要求,但随着使用寿命的增加,结构系统刚度可靠性下降,当疲劳载荷循环次数大于一定值时,结构系统结构刚度可靠性不能满足设计要求.因此,该方法为设计人员综合考虑结构系统可靠性提供理论依据.     

Fatigue damage reliability analysis for Nanjing Yangtze river bridge using structural health monitoring data

To evaluate the fatigue damage reliability of critical members of the Nanjing Yangtze river bridge, according to the stress-number curve and Miner＇s rule, the corresponding expressions for calculating the structural fatigue damage reliability were derived. Fatigue damage reliability analysis of some critical members of the Nanjing Yangtze river bridge was carried out by using the strain-time histories measured by the structural health monitoring system of the bridge. The corresponding stress spectra were obtained by the real-time rain-flow counting method. Results of fatigue damage were calculated respectively by the reliability method at different reliability and compared with Miner＇s rule. The results show that the fatigue damage of critical members of the Nanjing Yangtze river bridge is very small due to its low live-load stress level.     

结构疲劳寿命评估的专家系统

提出一种含裂纹构件疲劳寿命模糊评估的方法;并以这个评估方法为基础,设计了一个结构疲劳寿命评估的专家系统 。结果表明本系统采用知识的因素表示方法来表示知识和经验,适合处理模糊性知识;有对专家直接进行咨询的知识获取了系统,因而有较强的自动知识获取能力;揄模型采用特征统计揄法,结构可靠性程度高;具有戾发式和人机交互式搜索策略,使用列为灵活。     

系统可靠度约束下平面框架结构的优化设计

以结构系统的可靠度作为结构优化设计的控制参数，用分枝限界法判认主要失效模式。用ＰＮＥＴ法计算结构系统的可靠度，导出了平面框架结构系统可靠度的敏度分析表达式。     

基于计算可靠度的现有RC结构构件的安全等级划分研究

在考虑现有RC结构构件的后续使用年限和抗力衰减的基础上,利用计算的民用RC结构构件在不同情况下的可靠指标,研究了构件计算的可靠指标与其安全等级之间的关系;将现有RC结构构件的可靠指标的定量计算与鉴定时的分级定性评定结合,经过计算和与设计规范的要求比较,给出了安全等级划分评定时的计算可靠指标标准.提出的民用建筑结构RC构件鉴定时安全等级划分评定的量化方法,可应用于现有结构构件的鉴定中;得出的鉴定等级安全性与设计规范的安全性是一致的,实现了民用结构RC构件鉴定的定量计算.     

刚架结构体系可靠度分析与优化方法

以结构体系的可靠度指标作为结构优化设计的控制参数.首先利用分支 界约法寻找结构的主要失效模式,同时采用条件概率法求解结构体系可靠度指标并给出了结构体系可靠度的敏度表达式.然后采用最佳矢量法求解结构体系可靠度指标约束下的最小重量优化设计问题.最后给出了平面刚架计算实例,计算结果表明了方法的有效性,该法也可推广用于空间结构.