結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化概論

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化概論XXX01拓?fù)鋬?yōu)化概念0203拓?fù)鋬?yōu)化一般方法拓?fù)鋬?yōu)化工程實(shí)例拓?fù)鋬?yōu)化發(fā)展前景04匯報(bào)大綱01拓?fù)鋬?yōu)化概念PART1拓?fù)鋬?yōu)化概念結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)（OptimalStructureDesigning）是指為了滿足某種目標(biāo)（如材料消耗最少化、剛度最大化等），在某種約束下（如體積/重量約束、幾何約束等），而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。PART1拓?fù)鋬?yōu)化概念

目前，結(jié)構(gòu)優(yōu)化一般可分為三個(gè)不同的層次，包括：尺寸優(yōu)化（SizeOptimization）、形狀優(yōu)化（ShapeOptimization）、拓?fù)鋬?yōu)化（TopologyOptimization）PART1拓?fù)鋬?yōu)化概念

拓?fù)鋬?yōu)化就是為了滿足某種性能目標(biāo)，在給定的荷載和邊界條件下，尋求設(shè)計(jì)域中材料的最優(yōu)空間分布的過(guò)程。

拓?fù)鋬?yōu)化其實(shí)是一個(gè)優(yōu)雅地開(kāi)洞的過(guò)程。拓?fù)鋬?yōu)化02拓?fù)鋬?yōu)化一般方法PART2拓?fù)鋬?yōu)化一般方法退化法傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法，常用的退化法有基結(jié)構(gòu)方法、均勻化方法、變密度法，變厚度法等。進(jìn)化法一類(lèi)全局尋優(yōu)方法，目前常用的進(jìn)化法主要有漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法和雙向漸進(jìn)優(yōu)化法等。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法可以分為兩大類(lèi):退化法和進(jìn)化法。PART2拓?fù)鋬?yōu)化一般方法漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法是近年來(lái)興起的針對(duì)應(yīng)力優(yōu)化而提出的，受力分析表明結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布不均勻，有些區(qū)域應(yīng)力較高，是結(jié)構(gòu)破壞的主要區(qū)域有些區(qū)域應(yīng)力較低,材料未充分利用，如果去掉該區(qū)域材料，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力影響很小,同時(shí)可減小結(jié)構(gòu)重量。因此，應(yīng)力優(yōu)化的準(zhǔn)則為逐漸去掉結(jié)構(gòu)中的低應(yīng)力材料，使剩下的結(jié)構(gòu)更有效地承擔(dān)荷載，從而應(yīng)力分布更加均勻。漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（ESO法）PART2拓?fù)鋬?yōu)化一般方法a.定義設(shè)計(jì)區(qū)域及參數(shù)b.有限元網(wǎng)格劃分c.求出每個(gè)單元的應(yīng)力d.將低效單元進(jìn)行刪除e.判斷是否收斂f.輸出所得結(jié)果漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（ESO法）

漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法簡(jiǎn)單通用，但收斂性較差，且優(yōu)化過(guò)程中誤刪除單元后不能再恢復(fù)。PART2拓?fù)鋬?yōu)化一般方法雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法是對(duì)漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法的改進(jìn)和升級(jí)。雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法作為漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法的改進(jìn)，在優(yōu)化過(guò)程中，結(jié)構(gòu)中能同時(shí)刪除并增補(bǔ)單元。這樣，結(jié)構(gòu)可以從非常簡(jiǎn)單的原始設(shè)計(jì)開(kāi)始進(jìn)化，從而縮小有限元問(wèn)題的規(guī)模，提高計(jì)算效率。雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO法）PART2拓?fù)鋬?yōu)化一般方法a.定義設(shè)計(jì)區(qū)域及參數(shù)b.有限元網(wǎng)格劃分c.求出每個(gè)單元的應(yīng)力d.將低效單元進(jìn)行刪除e.添加結(jié)構(gòu)中需要添加的部分f.判斷是否收斂g.輸出所得結(jié)果雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO法）

漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法中，結(jié)構(gòu)中能同時(shí)刪除并增補(bǔ)單元。這樣，結(jié)構(gòu)可以從非常簡(jiǎn)單的原始設(shè)計(jì)開(kāi)始進(jìn)化，從而縮小有限元問(wèn)題的規(guī)模，提高計(jì)算效率。PART2拓?fù)鋬?yōu)化一般方法

結(jié)構(gòu)從非常簡(jiǎn)單的原始設(shè)計(jì)開(kāi)始進(jìn)化，從而縮小有限元規(guī)模。由于初始設(shè)計(jì)區(qū)域小，梁受力較大，優(yōu)化初期在前9次迭代都在增加單元。經(jīng)過(guò)9次迭代之后開(kāi)始刪減單元，在第20次迭代后達(dá)到最優(yōu)結(jié)構(gòu)。PART2拓?fù)鋬?yōu)化一般方法拓?fù)鋬?yōu)化的主要困難在于其可行域的奇異性，導(dǎo)致了拓?fù)鋬?yōu)化的全局最優(yōu)解與局部最優(yōu)解之間存在很大差異。另外,基于有限元法求解拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)灰度單元、棋盤(pán)格式、網(wǎng)格依賴性等數(shù)值計(jì)算問(wèn)題?；叶葐卧灞P(pán)格式網(wǎng)格依賴性03拓?fù)鋬?yōu)化工程實(shí)例PART3拓?fù)鋬?yōu)化工程實(shí)例2005年，日本建筑師磯崎新使用(BESO)算法分別對(duì)卡塔爾會(huì)議中心以及上海喜馬拉雅中心進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)?？ㄋ枙?huì)議中心上海喜馬拉雅中心PART3拓?fù)鋬?yōu)化工程實(shí)例2016年廣州國(guó)際燈光節(jié)的展出，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)打造了一個(gè)大尺度的蝶形殼體《蝶變廣州》，在保證殼體強(qiáng)度、穩(wěn)定性等滿足要求的前提下，在殼體上開(kāi)了若干個(gè)大小、位置不一的孔洞《蝶變廣州》及其找形過(guò)程PART3拓?fù)鋬?yōu)化工程實(shí)例

可以看到，以拓?fù)鋬?yōu)化為主的結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于建筑中，得到的結(jié)構(gòu)形態(tài)往往具有以下特點(diǎn)：1）美的形狀；2）巧妙、奇怪、有趣的形狀；3）意想不到的形狀；4）合理而高效的力學(xué)性能。

04拓?fù)鋬?yōu)化發(fā)展前景土木工程領(lǐng)域請(qǐng)輸入標(biāo)題機(jī)械工程領(lǐng)域請(qǐng)輸入標(biāo)題航空航天領(lǐng)域請(qǐng)輸入標(biāo)題PART4拓?fù)鋬?yōu)化發(fā)展前景拓?fù)鋬?yōu)化涉及的領(lǐng)域PART4拓?fù)鋬?yōu)化發(fā)展前景

尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化理論已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，并且在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。拓?fù)鋬?yōu)化本身作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的一個(gè)比較新穎的分支在關(guān)于對(duì)研究如何優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式從而節(jié)省材料有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的重要核心技術(shù)與定量設(shè)計(jì)方法,是傳統(tǒng)的尺寸設(shè)計(jì)和形狀設(shè)計(jì)的擴(kuò)展與延