基于演化算法的桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c布局優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可分為由易到難的三個(gè)層次：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。同時(shí)考慮以上三個(gè)層次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)被稱為布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。相較于結(jié)構(gòu)尺寸和形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)拓?fù)浜筒季謨?yōu)化設(shè)計(jì)被認(rèn)為更具優(yōu)化效率也更有挑戰(zhàn)性，是當(dāng)前結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問題。
　　超輕桿系結(jié)構(gòu)在航天工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣泛，而工程參照又相對匱乏，在此類結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題中包含拓?fù)鋬?yōu)化層次顯得尤為迫切。因此，本文致力于研究桿系結(jié)構(gòu)的拓?fù)浜筒季謨?yōu)化設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括：
　　

2、演化算法一般是為求解無約束優(yōu)化問題而設(shè)計(jì)，而桿系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)均為約束優(yōu)化問題，在桿系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用演化算法，需引入罰函數(shù)法來構(gòu)造結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的偽適應(yīng)度函數(shù)方程。本文基于兩種尖端演化算法和自適應(yīng)罰函數(shù)法分別構(gòu)造了兩種混合演化算法：Ω-CMA-ES算法和FEPSO-AP算法，數(shù)個(gè)典型算例驗(yàn)證了這兩種混合算法在求解復(fù)雜桿系結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題時(shí)均具備較強(qiáng)的尋優(yōu)性能。
　　含0-1拓?fù)渥兞康臈U系結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)困難問題，而以往的研究對其

3、困難性缺乏定量認(rèn)識。針對這一問題，本文建立了桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)涞膱D論模型，研究了桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)湓诘湫驮O(shè)計(jì)域中的分布情況。在此基礎(chǔ)上，建立了桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)渫蛔兊鸟R氏鏈模型，分析了基于演化算法的桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)涞^程。迭代收斂率分析結(jié)果顯示，若不考慮結(jié)構(gòu)拓?fù)渥兞颗c結(jié)構(gòu)尺寸、形狀變量之間的耦合性，在桿系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中引入獨(dú)立的0-1拓?fù)渥兞繒r(shí)可處理問題的規(guī)模相當(dāng)有限。
　　為求解多類型約束下的桿系結(jié)構(gòu)奇異最優(yōu)解問題，提出了一種漸進(jìn)式桿件刪除判定方法

4、(ERDD)，該方法可基于尺寸演化信息實(shí)現(xiàn)桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)渲貥?gòu)。不同于傳統(tǒng)基結(jié)構(gòu)法，ERDD不在被優(yōu)化結(jié)構(gòu)中引入微小截面單元，可在演化算法的引導(dǎo)下適時(shí)修正基結(jié)構(gòu)拓?fù)洌瑥亩苊庖蛭⑿〗孛鎲卧獛淼乃阉饔蚱娈悊栴}。數(shù)個(gè)典型算例表明，ERDD可以簡潔而高效地處理?xiàng)U系結(jié)構(gòu)奇異最優(yōu)解問題。
　　為拓展基結(jié)構(gòu)法的拓?fù)浔磉_(dá)范圍，提出了一種漸進(jìn)式節(jié)點(diǎn)合并算子(ENCO)。該算子首次建立了結(jié)構(gòu)拓?fù)渥兞亢托螤钭兞恐g的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了基于形狀演化信息的桿

5、系結(jié)構(gòu)拓?fù)渲貥?gòu)。ENCO的核心策略在于識別并刪除長度退化的桿件和關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，而且相關(guān)操作是可逆的。數(shù)個(gè)典型算例表明，在同等設(shè)計(jì)條件下，ENCO可顯著提升桿系結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化的設(shè)計(jì)質(zhì)量。
　　為求解拓?fù)湮粗臈U系結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化問題，提出了一種桿系結(jié)構(gòu)拓?fù)浔磉_(dá)方法：結(jié)構(gòu)矢量化方法(VSA)。該方法所指的結(jié)構(gòu)矢量由結(jié)構(gòu)尺寸和形狀變量組成，而結(jié)構(gòu)拓?fù)渥兞炕谔囟ú呗员磺度肫渲?，從而?shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)完全信息的矢量化表達(dá)。通過聯(lián)合VSA和演化算法，可以實(shí)現(xiàn)