基于有限元法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

前言

　　目前實(shí)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序一般離不開有限元分析，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，優(yōu)化理論和方法與有限元法相結(jié)合，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)快速發(fā)展并成功地應(yīng)用于工程實(shí)際，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)從單純的“分析和校核”進(jìn)入反饋式的“優(yōu)化設(shè)計(jì)”，從而使設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)水平大大提高?！　∽髡哂?992年開始接觸結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，之后完成了原機(jī)械部的兩項(xiàng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化課題，開發(fā)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，解決過(guò)一些實(shí)際的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。本書是在作者近20年結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的科研實(shí)踐基礎(chǔ)上寫成的。本書內(nèi)容為基于有限元法的結(jié)構(gòu)線性靜、動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)。　　本書讀者對(duì)象為有關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生、工科研究生和從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員，宗旨是幫助讀者能夠利用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以，本書著力講述結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理、方法和步驟，而對(duì)數(shù)學(xué)優(yōu)化算法只是從應(yīng)用的角度進(jìn)行必要的介紹，這是本書的特點(diǎn)之一。結(jié)合作者學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的體會(huì)，基于作者在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論研究、軟件開發(fā)和工程應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)，力求深入淺出，理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用，這是本書的又一特點(diǎn)?！　∪珪卜譃?1章，第1章為緒論；第2章介紹結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型及其與有限元計(jì)算的關(guān)系；第3章簡(jiǎn)介優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的求解方法；第4章為有限元法簡(jiǎn)介，主要引述與優(yōu)化設(shè)計(jì)有關(guān)的有限元計(jì)算公式；第5、6章分別講述靜、動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)的靈敏度計(jì)算方法和公式，重點(diǎn)為基于有限元法的解析靈敏度算法；第7章為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)例，從中可以了解結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和過(guò)程；第8章介紹結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的技巧和策略；第9章為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序開發(fā)簡(jiǎn)介，重點(diǎn)是以作者開發(fā)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)為例，介紹基于有限元法的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序的程序結(jié)構(gòu)和開發(fā)方法；第10章為工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例；第11章為ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介，以一個(gè)簡(jiǎn)單的懸臂梁優(yōu)化為例子，詳細(xì)介紹了采用ANSYS程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和步驟。按照書中步驟，讀者可以完成優(yōu)化設(shè)計(jì)的全過(guò)程，進(jìn)而以此例為模板，擴(kuò)充到較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。

內(nèi)容概要

本書旨在幫助讀者能夠利用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本書力求深入淺出，理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用，著力講述結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理、方法和步驟。主要內(nèi)容為：結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型及其求解方法，有限元方法簡(jiǎn)介，結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)的靈敏度計(jì)算方法和公式，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)例，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的技巧和策略，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序開發(fā)簡(jiǎn)介，工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例以及ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹?！　”緯x者對(duì)象為有關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生、工科研究生和從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員。

作者簡(jiǎn)介

梁醒培，河南工業(yè)大學(xué)教授，工程力學(xué)教研中心主任，博士生導(dǎo)師，享受國(guó)務(wù)院津貼專家，中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)理事，河南省力學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，河南省鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)理事，河南省十佳師德先進(jìn)個(gè)人，鄭州市技術(shù)拔尖人才。
    1977年畢業(yè)于清華大學(xué)工程力學(xué)系，1988-1989年在原聯(lián)邦德國(guó)材料研究院合作研究，訪問(wèn)學(xué)者。1977-2004年在原機(jī)械工業(yè)部鄭州機(jī)械研究所工作，曾任所CAE研究室主任，所學(xué)位委員會(huì)委員。長(zhǎng)期從事有限元和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論研究、軟件開發(fā)和工程應(yīng)用工作，是我國(guó)最早引進(jìn)、推廣有限元程序SAP 5和ADINA者之一。獲得省部級(jí)科技獎(jiǎng)8項(xiàng)，其中一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第1名），二等獎(jiǎng)3項(xiàng)（第2，4，5名），三等獎(jiǎng)4項(xiàng)（第1，2，4，4名）；出版著作和教材3部，發(fā)表論文40多篇。

書籍目錄

第1章 緒論  1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化概述  1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展概況  1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)  參考文獻(xiàn)第2章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型  2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單示例  2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型　　2.2.1 設(shè)計(jì)變量　　2.2.2 約束條件　　2.2.3 目標(biāo)函數(shù)　　2.2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型  2.3 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的形成及其與有限元計(jì)算的關(guān)系  2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本過(guò)程  參考文獻(xiàn)第3章 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的求解方法簡(jiǎn)介  3.1 線性規(guī)劃　　3.1.1 線性規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)形式　　3.1.2 單純形法  3.2 無(wú)約束優(yōu)化方法　　3.2.1 無(wú)約束優(yōu)化方法簡(jiǎn)介　　3.2.2 牛頓法  3.3 有約束優(yōu)化問(wèn)題的解法　　3.3.1 懲罰函數(shù)的性質(zhì)和構(gòu)造　　3.3.2 迭代算法  3.4 基于離散變量的優(yōu)化方法　　3.4.1 整數(shù)變量?jī)?yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述　　3.4.2 分枝定界法　　3.4.3 離散變量?jī)?yōu)化方法新進(jìn)展  參考文獻(xiàn)第4章 有限元法簡(jiǎn)介  4.1 彈性力學(xué)基本方程　　4.1.1 平面問(wèn)題基本方程　　4.1.2 三維問(wèn)題基本方程  4.2 平面線彈性靜力有限元法簡(jiǎn)介  4.3 常用單元類型簡(jiǎn)介　　4.3.1 等參單元　　4.3.2 桿單元　　4.3.3 梁?jiǎn)卧　?.3.4 板單元　　4.3.5 殼單元  4.4 動(dòng)力有限元法簡(jiǎn)介　　4.4.1 動(dòng)力有限元基本方程　　4.4.2 質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣及其對(duì)設(shè)計(jì)變量的導(dǎo)數(shù)　　4.4.3 結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)計(jì)算　　4.4.4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力有限元計(jì)算  參考文獻(xiàn)第5章 靜力優(yōu)化設(shè)計(jì)的靈敏度計(jì)算  5.1 靜力位移靈敏度計(jì)算方法　　5.1.1 全局差分法　　5.1.2 半解析法　　5.1.3 數(shù)值解析法--基于有限元計(jì)算公式的方法  5.2 單元?jiǎng)偠染仃噷?duì)設(shè)計(jì)變量的導(dǎo)數(shù)　　5.2.1 平面等參單元?jiǎng)偠染仃噷?duì)設(shè)計(jì)變量的導(dǎo)數(shù)　　5.2.2 三維等參單元?jiǎng)偠染仃噷?duì)設(shè)計(jì)變量的導(dǎo)數(shù)　　5.2.3 桿單元?jiǎng)偠染仃噷?duì)設(shè)計(jì)變量的導(dǎo)數(shù)　　5.2.4 梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃噷?duì)設(shè)計(jì)變量的導(dǎo)數(shù)　　5.2.5 板殼單元?jiǎng)偠染仃噷?duì)設(shè)計(jì)變量的導(dǎo)數(shù)  5.3 靜力應(yīng)力靈敏度計(jì)算　　5.3.1 全局差分法　　5.3.2 半解析法　　5.3.3 數(shù)值解析法  5.4 靜力應(yīng)力靈敏度算例  參考文獻(xiàn)第6章 動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)的靈敏度計(jì)算  6.1 結(jié)構(gòu)固有頻率靈敏度計(jì)算　　6.1.1 固有頻率靈敏度　　6.1.2 固有頻率靈敏度算例  6.2 動(dòng)力位移靈敏度計(jì)算　　6.2.1 動(dòng)力位移靈敏度公式　　6.2.2 動(dòng)力位移靈敏度算例  6.3 動(dòng)力應(yīng)力靈敏度計(jì)算　　6.3.1 動(dòng)力應(yīng)力靈敏度的計(jì)算方法　　6.3.2 動(dòng)力應(yīng)力靈敏度算例  參考文獻(xiàn)第7章 簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)例  7.1 結(jié)構(gòu)靜力優(yōu)化設(shè)計(jì)  7.2 結(jié)構(gòu)頻率優(yōu)化設(shè)計(jì)  7.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)  參考文獻(xiàn)第8章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的技巧和策略  8.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型建立的原則和方法　　8.1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本要素　　8.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過(guò)程　　8.1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題舉例  8.2 設(shè)計(jì)變量的選擇原則和離散化處理　　8.2.1 設(shè)計(jì)變量的選擇　　8.2.2 設(shè)計(jì)變量的標(biāo)準(zhǔn)化處理  8.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法選擇　　8.3.1 數(shù)學(xué)優(yōu)化方法的選擇　　8.3.2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的策略　　8.3.3 收斂精度設(shè)置  8.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析　　8.4.1 計(jì)算結(jié)果分析　　8.4.2 靈敏度分析  參考文獻(xiàn)第9章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序開發(fā)簡(jiǎn)介  9.1 全差分法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序  9.2 數(shù)值解析法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序　　9.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序總體結(jié)構(gòu)　　9.2.2 程序模塊簡(jiǎn)介　　9.2.3 程序?qū)崿F(xiàn)概況　　9.2.4 靜力靈敏度計(jì)算的程序?qū)崿F(xiàn)　　9.2.5 動(dòng)力靈敏度計(jì)算的程序?qū)崿F(xiàn)　　9.2.6 頻率靈敏度計(jì)算的程序?qū)崿F(xiàn)  9.3 與三維CAD集成及程序間接口　　9.3.1 與三維CAD集成　　9.3.2 不同編程語(yǔ)言程序間的連接　　9.3.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及傳遞  參考文獻(xiàn)第10章 工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例  10.1 綜合采煤液壓支架底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)  10.2 大型齒輪箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)  10.3 U形穿黃渡槽結(jié)構(gòu)靜力優(yōu)化設(shè)計(jì)  10.4 某導(dǎo)彈試驗(yàn)臺(tái)架頻率結(jié)構(gòu)優(yōu)化  10.5 高方平篩機(jī)架動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)  10.6 拼焊齒輪箱箱體動(dòng)力位移響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)  參考文獻(xiàn)第11章 ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介  11.1 ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本概念和要求  11.2 ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本過(guò)程　　11.2.1 建立參數(shù)化有限元分析文件　　11.2.2 執(zhí)行優(yōu)化計(jì)算的方法和過(guò)程　　11.2.3 查看和選取優(yōu)化結(jié)果　　11.2.4 確定并檢驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果  11.3 交互式ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化算例　　11.3.1 交互式執(zhí)行參數(shù)化有限元分析　　11.3.2 基于交互式操作建立參數(shù)化有限元分析文件　　11.3.3 交互式方式執(zhí)行優(yōu)化計(jì)算  參考文獻(xiàn)索引

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