基于有限元法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

前言

　　目前實用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序一般離不開有限元分析，基于計算機技術(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)用于工程實際，使結(jié)構(gòu)強度設(shè)計從單純的“分析和校核”進入反饋式的“優(yōu)化設(shè)計”，從而使設(shè)計方法和設(shè)計水平大大提高?！　∽髡哂?992年開始接觸結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，之后完成了原機械部的兩項結(jié)構(gòu)優(yōu)化課題，開發(fā)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件系統(tǒng)，解決過一些實際的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。本書是在作者近20年結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的科研實踐基礎(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、動力優(yōu)化設(shè)計?！　”緯x者對象為有關(guān)專業(yè)高年級本科生、工科研究生和從事結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程技術(shù)人員，宗旨是幫助讀者能夠利用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，所以，本書著力講述結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本原理、方法和步驟，而對數(shù)學(xué)優(yōu)化算法只是從應(yīng)用的角度進行必要的介紹，這是本書的特點之一。結(jié)合作者學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的體會，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，力求深入淺出，理論聯(lián)系實際，學(xué)以致用，這是本書的又一特點?！　∪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算的關(guān)系；第3章簡介優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的求解方法；第4章為有限元法簡介，主要引述與優(yōu)化設(shè)計有關(guān)的有限元計算公式；第5、6章分別講述靜、動力優(yōu)化設(shè)計的靈敏度計算方法和公式，重點為基于有限元法的解析靈敏度算法；第7章為簡單結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計簡例，從中可以了解結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法和過程；第8章介紹結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的技巧和策略；第9章為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序開發(fā)簡介，重點是以作者開發(fā)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序系統(tǒng)為例，介紹基于有限元法的優(yōu)化設(shè)計程序的程序結(jié)構(gòu)和開發(fā)方法；第10章為工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實例；第11章為ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計簡介，以一個簡單的懸臂梁優(yōu)化為例子，詳細介紹了采用ANSYS程序進行優(yōu)化設(shè)計的方法和步驟。按照書中步驟，讀者可以完成優(yōu)化設(shè)計的全過程，進而以此例為模板，擴充到較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。

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)化軟件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。本書力求深入淺出，理論聯(lián)系實際，學(xué)以致用，著力講述結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本原理、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，有限元方法簡介，結(jié)構(gòu)靜、動力優(yōu)化設(shè)計的靈敏度計算方法和公式，簡單結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計簡例，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的技巧和策略，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序開發(fā)簡介，工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實例以及ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計介紹?！　”緯x者對象為有關(guān)專業(yè)高年級本科生、工科研究生和從事結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程技術(shù)人員。

作者簡介

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，享受國務(wù)院津貼專家，中國力學(xué)學(xué)會理事，河南省力學(xué)學(xué)會副理事長，河南省鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會理事，河南省十佳師德先進個人，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)邦德國材料研究院合作研究，訪問學(xué)者。1977-2004年在原機械工業(yè)部鄭州機械研究所工作，曾任所CAE研究室主任，所學(xué)位委員會委員。長期從事有限元和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的理論研究、軟件開發(fā)和工程應(yīng)用工作，是我國最早引進、推廣有限元程序SAP 5和ADINA者之一。獲得省部級科技獎8項，其中一等獎1項（第1名），二等獎3項（第2，4，5名），三等獎4項（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)  參考文獻第2章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型  2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的簡單示例  2.2 優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型　　2.2.1 設(shè)計變量　　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算的關(guān)系  2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本過程  參考文獻第3章 優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的求解方法簡介  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 無約束優(yōu)化方法　　3.2.1 無約束優(yōu)化方法簡介　　3.2.2 牛頓法  3.3 有約束優(yōu)化問題的解法　　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)變量優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述　　3.4.2 分枝定界法　　3.4.3 離散變量優(yōu)化方法新進展  參考文獻第4章 有限元法簡介  4.1 彈性力學(xué)基本方程　　4.1.1 平面問題基本方程　　4.1.2 三維問題基本方程  4.2 平面線彈性靜力有限元法簡介  4.3 常用單元類型簡介　　4.3.1 等參單元　　4.3.2 桿單元　　4.3.3 梁單元　　4.3.4 板單元　　4.3.5 殼單元  4.4 動力有限元法簡介　　4.4.1 動力有限元基本方程　　4.4.2 質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣及其對設(shè)計變量的導(dǎo)數(shù)　　4.4.3 結(jié)構(gòu)自由振動計算　　4.4.4 結(jié)構(gòu)動力有限元計算  參考文獻第5章 靜力優(yōu)化設(shè)計的靈敏度計算  5.1 靜力位移靈敏度計算方法　　5.1.1 全局差分法　　5.1.2 半解析法　　5.1.3 數(shù)值解析法--基于有限元計算公式的方法  5.2 單元剛度矩陣對設(shè)計變量的導(dǎo)數(shù)　　5.2.1 平面等參單元剛度矩陣對設(shè)計變量的導(dǎo)數(shù)　　5.2.2 三維等參單元剛度矩陣對設(shè)計變量的導(dǎo)數(shù)　　5.2.3 桿單元剛度矩陣對設(shè)計變量的導(dǎo)數(shù)　　5.2.4 梁單元剛度矩陣對設(shè)計變量的導(dǎo)數(shù)　　5.2.5 板殼單元剛度矩陣對設(shè)計變量的導(dǎo)數(shù)  5.3 靜力應(yīng)力靈敏度計算　　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  參考文獻第6章 動力優(yōu)化設(shè)計的靈敏度計算  6.1 結(jié)構(gòu)固有頻率靈敏度計算　　6.1.1 固有頻率靈敏度　　6.1.2 固有頻率靈敏度算例  6.2 動力位移靈敏度計算　　6.2.1 動力位移靈敏度公式　　6.2.2 動力位移靈敏度算例  6.3 動力應(yīng)力靈敏度計算　　6.3.1 動力應(yīng)力靈敏度的計算方法　　6.3.2 動力應(yīng)力靈敏度算例  參考文獻第7章 簡單結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計簡例  7.1 結(jié)構(gòu)靜力優(yōu)化設(shè)計  7.2 結(jié)構(gòu)頻率優(yōu)化設(shè)計  7.3 結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計  參考文獻第8章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的技巧和策略  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)計的基本要素　　8.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一般過程　　8.1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題舉例  8.2 設(shè)計變量的選擇原則和離散化處理　　8.2.1 設(shè)計變量的選擇　　8.2.2 設(shè)計變量的標(biāo)準(zhǔn)化處理  8.3 優(yōu)化設(shè)計方法選擇　　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)計的策略　　8.3.3 收斂精度設(shè)置  8.4 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析　　8.4.1 計算結(jié)果分析　　8.4.2 靈敏度分析  參考文獻第9章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序開發(fā)簡介  9.1 全差分法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序  9.2 數(shù)值解析法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序　　9.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序總體結(jié)構(gòu)　　9.2.2 程序模塊簡介　　9.2.3 程序?qū)崿F(xiàn)概況　　9.2.4 靜力靈敏度計算的程序?qū)崿F(xiàn)　　9.2.5 動力靈敏度計算的程序?qū)崿F(xiàn)　　9.2.6 頻率靈敏度計算的程序?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  參考文獻第10章 工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實例  10.1 綜合采煤液壓支架底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計  10.2 大型齒輪箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計  10.3 U形穿黃渡槽結(jié)構(gòu)靜力優(yōu)化設(shè)計  10.4 某導(dǎo)彈試驗臺架頻率結(jié)構(gòu)優(yōu)化  10.5 高方平篩機架動力優(yōu)化設(shè)計  10.6 拼焊齒輪箱箱體動力位移響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計  參考文獻第11章 ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計簡介  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)化計算的方法和過程　　11.2.3 查看和選取優(yōu)化結(jié)果　　11.2.4 確定并檢驗優(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)化計算  參考文獻索引

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