结构优化设计的一般概念PPT课件
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网架结构课件ppt
防腐防锈
对网架结构进行防腐防锈处理，延长结构使 用寿命。
维护保养记录
建立维护保养记录制度，对每次检查、维修 和保养情况进行记录，以便于管理。
安全注意事项
高空作业安全
吊装作业安全
在网架结构施工过程中，涉及到高空作业 的情况较多，应采取必要的安全措施，如 系安全带、搭设安全网等。
在进行整体吊装时，应确保吊装设备和索 具的安全可靠，遵守操作规程，确保作业 人员和设备安全。
在施工过程中，对网架结构的各项参 数进行监测，发现问题及时进行调整 ，确保施工精度和质量。
05
04
整体吊装
将拼装好的网架整体吊装到预定位置 ，并进行固定。
维护保养
定期检查
定期对网架结构进行检查，包括杆件、节点 、焊缝等部位，确保结构安全。
损坏修复
发现网架结构有损坏或异常情况时，及时进 行修复或更换。
网架结构的应用场景
网架结构广泛应用于 工业厂房、仓库、展 览馆、体育场馆等建 筑领域。
此外，网架结构还可 用于大型设备支撑、 舞台搭建、临时设施 等领域。
网架结构也可用于桥 梁、高速公路、地铁 等交通设施的建设。
2023
PART 02
网架结构的特性
REPORTING
受力特性
受力性能优异
网架结构能够将荷载均匀分散到 各个杆件上，从而减小单个杆件 承受的荷载，提高整体结构的承 载能力。
防火安全
安全用电
在网架结构施工现场，应设置消防设施， 并保持完好有效。同时，应加强火源管理 ，严禁吸烟等行为。
在施工过程中，应遵守安全用电规定，严 禁乱拉乱接电线，确保用电安全。
2023
REPORTINGLeabharlann THANKS感谢观看
通用技术-结构与设计 ppt课件
（B ）
2、自行车的辐条，一端穿在轴盘上，另一端拧在传过轮圈 的空心螺纹上，由辐条在工作中承受的力是（ D ） A、拉力 B、压力 C、弯曲力 D、扭转力
3、下面哪一种情况不是受扭转力的作用（ D ） A、车的传动轴主要受到的做用力 B、自行车的辐条，一端穿在轴盘上，另一端拧在传过轮圈 的空心螺纹上，由辐条在工作中承受 C、使用螺丝刀时，螺丝刀所承受的力 D、单杠的杠体所承受的力
（二）强度与材料 1、强度与材料
揭示了结构强度与材料的关系。即结构
强度高，材料不易被破坏。结构强度低，则
材料易被破坏。
例如、学校操场上的
不锈钢管旗杆的上部
被大风吹弯。
主要原因是钢管的强 度不够 。
又如： 人坐在板凳上用力摇几下，板凳坏了。 四川汶川在7、8级地震中80%房子倒塌。
再如：鸡蛋能支起砖头 这就属于结构强度 够形成的。
• 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
2. 结构与力
3. 结构的分类
• 根据物体结构形态在受力时承受和传递力的方式差别
实体结构：通常是指结构体本身是实心的结构。
结 构
框架结构：通常是指结构体本身由细长的构件
组成，支撑空间却不充满空间。
壳形结构：通常是指层状的结构。
4. 结构与稳定性
结构的稳定性 结构在负载的作用下维持其原 有平衡状态的能力。
结构稳定性的主要影响因素
重心位置的高低
1
重心越低,稳 定性越好;重 心越高,稳定 性越差
支撑面的大小
2
结构与地面 接触所形成 的支撑面越 大越稳定
《高等机构学》课件
机构组成与分类
机构组成
机构是由若干个构件通过一定的方式联接而成的，构件可以是杆、齿轮、轴承等。
机构组成的基本元素包括输入、输出和传动系统，其中传动系统是实现运动和力传 递的核心部分。
机构的运动形式包括平动、转动和复合运动，这些运动形式是由构件之间的相对运 动关系决定的。
机构分类
根据机构的结构特点，可以将机构分为简单机构和复杂机构，其中简单 机构包括连杆机构、齿轮机构等，复杂机构包括机器人、加工中心等。
旨在寻找满足特定性能要求的机构设计方案。
机构优化设计目标
02
提高机构性能、降低制造成本、优化结构参数等。
机构优化设计流程
03
建立数学模型、选择优化算法、进行优化计算、验证优化结果
。
机构优化设计方法
尺寸优化
通过调整机构中零部件的尺寸参数，以达到 优化性能的目的。
形状优化
改变机构中零部件的形状，以改善机构的运 动性能和受力情况。
随着技术的不断发展，其他新型机构的应 用领域将更加广泛，其结构形式和运动特 性也将不断优化。
THANKS
感谢观看
机构选型
机构选型需要考虑的因素包括工作原理、结构特点、材料、制造成本等。
在实际应用中，需要根据具体的工作要求和条件选择合适的机构类型，以 达到最佳的工作效果和经济性。
机构选型还需要考虑机构的可靠性和维护性，选择可靠性高、维护方便的 机构可以降低使用成本和维护成本。
03
机构运动学
机构运动学基本概念
使用计算机仿真技术，模 拟机构的动态行为。
通过微分几何和线性代数 的知识，分析机构中各点
的速度和加速度。
动态仿真与优化
通过优化算法，改进机构 的结构和参数，提高机构
机构组成
机构是由若干个构件通过一定的方式联接而成的，构件可以是杆、齿轮、轴承等。
机构组成的基本元素包括输入、输出和传动系统，其中传动系统是实现运动和力传 递的核心部分。
机构的运动形式包括平动、转动和复合运动，这些运动形式是由构件之间的相对运 动关系决定的。
机构分类
根据机构的结构特点，可以将机构分为简单机构和复杂机构，其中简单 机构包括连杆机构、齿轮机构等，复杂机构包括机器人、加工中心等。
旨在寻找满足特定性能要求的机构设计方案。
机构优化设计目标
02
提高机构性能、降低制造成本、优化结构参数等。
机构优化设计流程
03
建立数学模型、选择优化算法、进行优化计算、验证优化结果
。
机构优化设计方法
尺寸优化
通过调整机构中零部件的尺寸参数，以达到 优化性能的目的。
形状优化
改变机构中零部件的形状，以改善机构的运 动性能和受力情况。
随着技术的不断发展，其他新型机构的应 用领域将更加广泛，其结构形式和运动特 性也将不断优化。
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机构选型
机构选型需要考虑的因素包括工作原理、结构特点、材料、制造成本等。
在实际应用中，需要根据具体的工作要求和条件选择合适的机构类型，以 达到最佳的工作效果和经济性。
机构选型还需要考虑机构的可靠性和维护性，选择可靠性高、维护方便的 机构可以降低使用成本和维护成本。
03
机构运动学
机构运动学基本概念
使用计算机仿真技术，模 拟机构的动态行为。
通过微分几何和线性代数 的知识，分析机构中各点
的速度和加速度。
动态仿真与优化
通过优化算法，改进机构 的结构和参数，提高机构
结构优化的灵敏度分析课件
02
灵敏度分析概述
灵敏度分析的定义
定义
灵敏度分析是一种研究模型输出 变化对输入参数变化的敏感程度 的方法。
解释
在结构优化中，灵敏度分析用于 量化模型性能对设计参数的敏感 性，以识别关键设计参数并优化 结构。
灵敏度分析的目的
01
02
03
目的1
目的2
目的3
识别关键设计参数。通过灵敏度分析，可 以确定哪些参数对模型输出影响较大，从 而重点关注和优化这些参数。
3. 根据灵敏度分析结果，调整设计参数以改善车身结构的 碰撞性能。
关键点：在车身结构碰撞性能优化中，灵敏度分析有助 于在众多设计参数中筛选出关键参数，提高优化效率， 同时保证汽车的碰撞安全性。
06
结构优化灵敏度分析展望 与挑战
结构优化灵敏度分析的未来发展趋势
多学科交叉融合
未来的结构优化灵敏度分析将更加注重多学科交叉融合， 涉及力学、数学、计算机科学等多个领域，以更全面地研 究和解决实际问题。
指导优化算法的改进方向
灵敏度分析可以揭示设计变量与目标函数之间的关系，为优化算法的改进提供指 导。例如，针对灵敏度较高的设计变量，可以采用更精细的搜索策略，以提高优 化精度。
结构优化中的参数灵敏度分析
参数定义与分类
参数灵敏度分析关注结构优化问题中的参数变化对目标函数的影响。参数可分为设计参数（如材料属 性、截面尺寸等）和约束参数（如载荷、边界条件等）。通过参数灵敏度分析，可以识别出对目标函 数影响显著的参数。
有限差分法适用于目标函数和约束条件难以显式表达或无法直接求导的情况。它是一种通用性较强的方 法，但受限于数值近似的精度和步长的选择。
伴随变量法
原理
伴随变量法通过引入伴随变量， 构建伴随方程来求解灵敏度。它 基于最优控制理论和拉格朗日乘 子法，将灵敏度分析问题转化为 求解伴随方程的问题。
建筑结构优化设计
感谢您的观看
THANKS
案例四：住宅楼的结构优化设计
总结词
提高居住舒适度与降低成本
详细描述
住宅楼的结构优化设计主要关注提高居住舒适度和降 低成本。通过合理设计建筑结构和隔墙，减少噪音和 振动对居民的影响，提高居住舒适度。同时，也需要 考虑建筑成本的控制，选择经济合理的建筑材料和构 造方式，以降低建筑成本。
05
建筑结构优化设计的挑战 与前景
构件形状优化
通过改变构件的形状，如 圆形、方形等，以适应不 同的建筑需求和场地条件 。
建筑结构材料优化
材料选择
根据结构体系和构件要求，选择 合适的建筑材料，如钢材、混凝
土、木材等。
材料用量优化
通过合理的材料用量配比，降低成 本的同时满足结构的性能要求。
材料性能优化
选择具有优异性能的材料，如高强 度钢、高性能混凝土等，以提高结 构的整体性能。
结构布置
通过合理的结构布置，提 高结构的整体性能，如刚 度、承载能力、稳定性等 。
结构传力路径
确保结构传力路径明确、 直接，以提高结构的抗震 性能和抗风性能。
建筑结构构件优化
构件尺寸优化
通过调整构件的尺寸，如 梁的宽度、柱的高度等， 以实如焊接、螺栓连接等， 以提高结构的整体性和稳 定性。
利于环境保护。
改善建筑经济性
优化设计可以改善建筑的经济性 ，包括提高建筑的节能性能、降 低运营成本等。这有助于提高建 筑的竞争力，促进可持续发展。
建筑结构优化的发展趋势
多目标优化
传统的结构优化主要关注单个目标的优化，如成本最低或重量最轻。然而，在实际工程中，往往需要 同时考虑多个目标，如刚度、强度、稳定性、耐久性、材料消耗等多个因素。因此，多目标优化已成 为结构优化的一个重要研究方向。
《工程结构》课件
总结词
稳定性分析是研究结构在各种载荷作用下的平衡状态和失稳条件。
详细描述
稳定性分析的目的是确定结构在各种载荷作用下的平衡状态和失稳条件，以及评估结构的承载能力和 安全裕度。这种分析方法用于评估结构在各种工况下的稳定性，包括侧向稳定性、屈曲稳定性和整体 稳定性等。稳定性分析对于确保结构的稳定性和安全性至关重要。
总结词
由多个杆件通过节点连接组成的网状结构， 通过节点传递荷载的结构形式。
详细描述
网架结构的优点在于其空间受力性能好、承 载能力高、刚度大等优点，适用于大型工业 厂房、会展中心等大跨度跨越的建筑。网架 结构的形式多样，可以根据建筑需求进行灵 活设计，提高建筑物的使用功能和美观性。 同时，网架结构的施工方便快捷，能够缩短
船舶的结构设计优化，通过优化 设计提高船舶的航速、稳定性和 耐久性。
06
工程结构的施工与维护
施工方法与技术
施工方法
介绍工程结构的施工方法，包括预制 施工、装配式施工等，以及各种方法 的优缺点和应用范围。
施工技术
详细阐述施工过程中的技术要点，如 混凝土浇筑、钢筋安装、模板支护等 ，以确保工程质量。
木材的加工和连接相对简单，成本较低，因此在一些小 型建筑和临时建筑中也被广泛应用。
它被广泛应用于房屋、家具和园林景观等建筑结构中。
木材的耐久性和防腐性能相对较差，需要采取相应的保 护措施。
其他材料
其他材料包括玻璃、塑料、陶瓷等建筑材料。 这些材料在工程结构中也有一定的应用，如玻璃幕墙、塑料管道和陶瓷地板等。
动力分析
总结词
动力分析是研究结构在动态载荷作用下的响应和行为，考虑时间变化和振动的因素。
详细描述
动力分析主要关注结构在动态载荷作用下的振动、响应和稳定性。这种分析方法用于评估结构在地震、风载等动 态载荷作用下的性能，以及结构的自振特性和稳定性。动力分析对于预测结构的动力响应和疲劳性能至关重要。
稳定性分析是研究结构在各种载荷作用下的平衡状态和失稳条件。
详细描述
稳定性分析的目的是确定结构在各种载荷作用下的平衡状态和失稳条件，以及评估结构的承载能力和 安全裕度。这种分析方法用于评估结构在各种工况下的稳定性，包括侧向稳定性、屈曲稳定性和整体 稳定性等。稳定性分析对于确保结构的稳定性和安全性至关重要。
总结词
由多个杆件通过节点连接组成的网状结构， 通过节点传递荷载的结构形式。
详细描述
网架结构的优点在于其空间受力性能好、承 载能力高、刚度大等优点，适用于大型工业 厂房、会展中心等大跨度跨越的建筑。网架 结构的形式多样，可以根据建筑需求进行灵 活设计，提高建筑物的使用功能和美观性。 同时，网架结构的施工方便快捷，能够缩短
船舶的结构设计优化，通过优化 设计提高船舶的航速、稳定性和 耐久性。
06
工程结构的施工与维护
施工方法与技术
施工方法
介绍工程结构的施工方法，包括预制 施工、装配式施工等，以及各种方法 的优缺点和应用范围。
施工技术
详细阐述施工过程中的技术要点，如 混凝土浇筑、钢筋安装、模板支护等 ，以确保工程质量。
木材的加工和连接相对简单，成本较低，因此在一些小 型建筑和临时建筑中也被广泛应用。
它被广泛应用于房屋、家具和园林景观等建筑结构中。
木材的耐久性和防腐性能相对较差，需要采取相应的保 护措施。
其他材料
其他材料包括玻璃、塑料、陶瓷等建筑材料。 这些材料在工程结构中也有一定的应用，如玻璃幕墙、塑料管道和陶瓷地板等。
动力分析
总结词
动力分析是研究结构在动态载荷作用下的响应和行为，考虑时间变化和振动的因素。
详细描述
动力分析主要关注结构在动态载荷作用下的振动、响应和稳定性。这种分析方法用于评估结构在地震、风载等动 态载荷作用下的性能，以及结构的自振特性和稳定性。动力分析对于预测结构的动力响应和疲劳性能至关重要。
《结构力学教材》课件
随着计算机技术的不断发展，结构力学将与数值 计算方法更加紧密地结合，实现对复杂结构的精 确模拟和分析。
多物理场耦合的研究
未来结构力学将更加注重与流体力学、热力学等 其他物理场的耦合研究，以解决多场耦合的复杂 工程问题。
智能化技术的应用
人工智能、机器学习等技术在结构力学中的应用 将逐渐普及，为结构设计和优化提供新的思路和 方法。
结构力学的重要性
结构力学是工程设计中的关键环节，能够确保结构的稳定性 、安全性和经济性。
通过结构力学分析，可以预测结构的性能，优化设计方案， 提高工程质量。
结构力学的历史与发展
结构力学的发展可以追溯到古代的建 筑实践，如中国的长城、埃及的金字 塔等。
随着科学技术的发展，结构力学不断 吸收新的理论和方法，如有限元方法 、计算机辅助设计等，推动了结构力 学的进步和应用。
结构力学在工程实践中的挑战与机遇
复杂结构的分析
随着工程结构的日益复杂化，对结构 力学在复杂结构分析方面的要求也越 来越高，这既是一个挑战也是一个机 遇。
耐久性与安全性
绿色与可持续发展
随着对环境保护的重视，结构力学在 绿色建筑、节能减排等领域的应用将 更加广泛，为可持续发展提供技术支 持。
工程结构的耐久性与安全性是结构力 学的重要研究内容，未来将面临更多 的挑战和机遇。
02
结构力学的基本原理
静力学原理
静力学原理总结
静力学是研究物体在静止状态下受力与变形 的关系。
静力学基本概念
静力学涉及到的基本概念包括力、力矩、力 偶、约束等。
静力学平衡条件
静力学平衡条件是物体在力的作用下保持静 止或匀速直线运动的状态。
静力学应用
静力学原理广泛应用于工程结构、机械系统 等领域。
多物理场耦合的研究
未来结构力学将更加注重与流体力学、热力学等 其他物理场的耦合研究，以解决多场耦合的复杂 工程问题。
智能化技术的应用
人工智能、机器学习等技术在结构力学中的应用 将逐渐普及，为结构设计和优化提供新的思路和 方法。
结构力学的重要性
结构力学是工程设计中的关键环节，能够确保结构的稳定性 、安全性和经济性。
通过结构力学分析，可以预测结构的性能，优化设计方案， 提高工程质量。
结构力学的历史与发展
结构力学的发展可以追溯到古代的建 筑实践，如中国的长城、埃及的金字 塔等。
随着科学技术的发展，结构力学不断 吸收新的理论和方法，如有限元方法 、计算机辅助设计等，推动了结构力 学的进步和应用。
结构力学在工程实践中的挑战与机遇
复杂结构的分析
随着工程结构的日益复杂化，对结构 力学在复杂结构分析方面的要求也越 来越高，这既是一个挑战也是一个机 遇。
耐久性与安全性
绿色与可持续发展
随着对环境保护的重视，结构力学在 绿色建筑、节能减排等领域的应用将 更加广泛，为可持续发展提供技术支 持。
工程结构的耐久性与安全性是结构力 学的重要研究内容，未来将面临更多 的挑战和机遇。
02
结构力学的基本原理
静力学原理
静力学原理总结
静力学是研究物体在静止状态下受力与变形 的关系。
静力学基本概念
静力学涉及到的基本概念包括力、力矩、力 偶、约束等。
静力学平衡条件
静力学平衡条件是物体在力的作用下保持静 止或匀速直线运动的状态。
静力学应用
静力学原理广泛应用于工程结构、机械系统 等领域。
结构优化设计理论及应用ppt课件
Fx0Fx0h
则称搜索失败。下次搜索仍以x0为起点，即退回到起始搜索点，并以－h/4 为步长，即改变搜索方向和缩短步长，称之为小步后退。
由上述分析可知，每次搜索时，步长都要改变，若ε>0为预先给定的容许 误差，则当某搜索步长小于ε时，搜索停止，得到问题的近似解。
可编辑课件PPT
17
第三章 无约束优化问题
可编辑课件PPT
12
第三章 无约束优化问题
T
f x k a k fx k fx k 0
f
xk1
T
f
xk
0
dk1 T dk 0
由此可知，在最速下降法中，相邻两个迭代点上的函数 梯度相互垂直。而搜索方向就是负梯度方向，因此相邻 两个搜索方向互相垂直。
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13
也可以理解为牛顿法中的搜索方向为
1
SX HX k FX k
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31
第三章 无约束优化问题
四、牛顿法
对牛顿法进行改进，提出“阻尼牛顿法”
x k 1 x kk 2fx k 1 fx k
fx k 1 f x k a k d k m i n f x k a d k
F
n 1
x1
F n1
第三章 无约束优化问题
三、0.618（黄金分割）法
0.618法又称为黄金分割法，与Fibonacci法一开始的差别只在最 初两个试验点的选取上，对于问题
minF x 0 x1
用Fibonacci法最初的两个点选取在
x1
F F
n 1 n 1
及 x2
Fn F n1
用0.618法最初的两个点选取在0.382与0.618处。
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则称搜索失败。下次搜索仍以x0为起点，即退回到起始搜索点，并以－h/4 为步长，即改变搜索方向和缩短步长，称之为小步后退。
由上述分析可知，每次搜索时，步长都要改变，若ε>0为预先给定的容许 误差，则当某搜索步长小于ε时，搜索停止，得到问题的近似解。
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第三章 无约束优化问题
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第三章 无约束优化问题
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由此可知，在最速下降法中，相邻两个迭代点上的函数 梯度相互垂直。而搜索方向就是负梯度方向，因此相邻 两个搜索方向互相垂直。
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也可以理解为牛顿法中的搜索方向为
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第三章 无约束优化问题
四、牛顿法
对牛顿法进行改进，提出“阻尼牛顿法”
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n 1
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第三章 无约束优化问题
三、0.618（黄金分割）法
0.618法又称为黄金分割法，与Fibonacci法一开始的差别只在最 初两个试验点的选取上，对于问题
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用Fibonacci法最初的两个点选取在
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及 x2
Fn F n1
用0.618法最初的两个点选取在0.382与0.618处。
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可以在设计中修改的、描述结构的尺寸,形状,使用材 料和拓扑；需要将工程设计参数化。可以是离散变量 或连续变量；
把结构优化问题提成数学规划问题始于Schmit,L.A(1976)
.
7
1.3 结构优化设计的分类
根据设计变量类型，结构优化可划分为结构尺寸、形状、 拓扑和类型优化几个不同的层次.
尺寸优化 形状优化 拓扑优化 设计者智能活动
结构优化设计
南京航空航天大学 飞机设计技术研究所
金海波
.
1பைடு நூலகம்
参考书目
丁运亮编 结构优化设计 航空专业教材编审组 1984.7
程耿东 工程结构优化设计基础 水利电力出版社 1984.3
王光远 董明耀编著 结构优化设计 高等教育出版 社 1987.10
李炳威编著 结构的优化设计 科学出版社 1979.2
优化是工程上提出的概念 数学上对应的概念是规划 管理上对应的概念是运筹
典型问题： 田忌赛马 旅行商问题 军事物资调配 生产计划 物流 工程的优化设计 炒股
.
4
物理 －事理－人理
物理
对象与 客观物质 内容 法则规则
焦点 是什么？ 功能分析
原则 诚实 追求真理
所需知 自然科学 识
事理
组织、系统 管 理和做事道理
WOPT=685Kg WOPT=505Kg
尺寸优化
只改变元件的截面尺 寸, 外部结构型式不变
形状优化
以节点坐标作为形状 变量, 可改变结构外形
拓扑优化
节点可增可减, 坐标位 置也可改变.
.
9
结构尺寸优化
输电塔优化设计
桥梁优化设计
.
10
结构形状优化
输电塔形状优化
.
11
初始设计以及设计参数
u2 u1 u6 u5
怎样做？ 逻辑分析
协调 追求效率
管理科学 系统科学
人理
人、群体、关系 为人处事的道理
最好怎么做？可 能是？ 人文分析
讲人性、和谐 追求成效
人文知识 行为科学
.
5
1.1 结构优化设计含义
提出结构的初始设计 确定给定设计的性能（力学分析往往最主要）
判定设计的优劣 改进设计,重复上列过程直到满意为止
传统的设计由于受到时间、人力和费用的限制，往往不 能反复迭代修改；
在我国，很多企业往往是将引进设计简单放大；
.
6
1.2 结构优化的三个基本要素
目标函数:
可以是结构建造成本、结构重量、结构寿命、可靠性、 鲁棒性、结构性能（振幅，加速度）等;单目标多目标; 线性非线性;
约束条件:
可以是对结构性能、尺寸、重量和成本的限制；可以 是等式或非等式约束；线性非线性;
设计变量:
.
14
.
15
飞机舱门连接铰链结构拓扑优化
.
16
1.4 结构优化的主要方法
有限元法(或边界元法…)和优化方法的结合 成为近代结构优化的基础
60年代，有限元方法和运筹学得到快速发展，和计算 机技术结合，人们有可能利用计算机在相对来说比较短 的时间内完成一个结构设计方案的分析、获得结构性能 对设计参数的灵敏度并指导设计修改，结构优化成为设 计的重要工具。
荣见华，郑健龙，徐飞鸿编著 结构动力修改及优化 设计 2002.10
.
2
第一章 结构优化设计的一般概念
.
3
什么是优化？
从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学 中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设 计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定 的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。
优化设计的层次
结构尺寸优化用以确定杆系结构中的杆件最优断面积；板 壳结构的最优厚度；在优化过程有限元模型不变；
结构形状优化用以确定桁架的最优节点位置，结构边界和
孔洞的形状；在优化过程中，有限元的单元形状和网格剖
分需要调整
.
8
三种不 同的优 化概念
WOPT=1136Kg WOPT=756Kg WOPT=401Kg
初始设计 分析校核 修改设计 重新分析 优化?
有限元方法
灵敏度分析 近似重分析 优化方法
收敛准则
.
17
有限元分析 与优化的关系
从有限元分析角度----每个有限单元代表一个受力单元。整 个结构的力学特性是由所有单元的力学特性综合得来；
从优化设计角度----每一个有限单元就是一个设计单元，改 变其主要尺寸(设计变量)，将改变其力学特性。
u4 u3
u8
u7 2789 N
5066 N
应力云图
最优设计及应力分布
最小化结构重量
s.t.
max 800 MPa
结构重量由0.878kg 减为 0.421 kg 减重达到48%！
厚度 = 0.3 cm
材料为钢 E = 207 GPa and = 0.3 .
12
结 构 拓 扑 优 化
.
13
1978年计算力学作为力学学科12个发展方向之一列入 我国力学规划。结构优化设计因为其重要性，成为 计算力学主攻方向之一。在这一阶段国内学者提出 了序列二次规划等方法，形成了若干可处理多约束、 多工况、多单元的大型结构优化软件，如HAJIF, DDDU, YIDOU等，并应用. 于一批工程实际问题。 22
共同点----都是以有限单元为对象; 不同点----有限元分析只需要一次结构分析就完成了;
结构优化设计需要多次迭代才能完成。
.
18
1.5 结构优化主要算法
1、准则法：直接求解最优化必要条件，由于这 些条件往往是非线性等式-不等式方程组，需 要迭代求解；
2、数学规划法（最速下降法（瞎子下山法，摸 着石头过河），梯度投影法，罚函数法，序列 无约束优化方法，0.618法，牛顿法，单纯形 法、复形法等）
i 1
j 1
i 0, i gi 0, i 1,2.,,, m
j 0, jhj 0, j 1,2,...n
人们还建立很多依据物理直觉或经验的准则
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21
1.6 结构优化的主要软件
在60，70和80年代，研究工作集中在结构尺寸和形状 优化，形成了规划法、准则法和近似概念法等结构 优化方法，建立了灵敏度分析的解析法、半解析法、 差分法等多种方法，和有限元分析方法相结合，出 现了一批应用软件。特别，近年来，相当一批通用 有限元程序，如NASTRAN，ANSYS，具备了一定 的优化功能。出现了以结构优化见长的Altair软件；
3、启发式方法（模拟退火算法，遗传算法，神 经元网络）
已经有不少软件包可供使用
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19
结构优化算法的基本思路
关键： 确定搜索方向（往哪走.）以及前进步长（走多少）20
准则法: 将优化问题转化为寻求满足准则的解
Kuhn-Tucker准则为理论上的最优化准则 (最优解满足的必要条件)
m
n
f igi jhj
把结构优化问题提成数学规划问题始于Schmit,L.A(1976)
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7
1.3 结构优化设计的分类
根据设计变量类型，结构优化可划分为结构尺寸、形状、 拓扑和类型优化几个不同的层次.
尺寸优化 形状优化 拓扑优化 设计者智能活动
结构优化设计
南京航空航天大学 飞机设计技术研究所
金海波
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1பைடு நூலகம்
参考书目
丁运亮编 结构优化设计 航空专业教材编审组 1984.7
程耿东 工程结构优化设计基础 水利电力出版社 1984.3
王光远 董明耀编著 结构优化设计 高等教育出版 社 1987.10
李炳威编著 结构的优化设计 科学出版社 1979.2
优化是工程上提出的概念 数学上对应的概念是规划 管理上对应的概念是运筹
典型问题： 田忌赛马 旅行商问题 军事物资调配 生产计划 物流 工程的优化设计 炒股
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4
物理 －事理－人理
物理
对象与 客观物质 内容 法则规则
焦点 是什么？ 功能分析
原则 诚实 追求真理
所需知 自然科学 识
事理
组织、系统 管 理和做事道理
WOPT=685Kg WOPT=505Kg
尺寸优化
只改变元件的截面尺 寸, 外部结构型式不变
形状优化
以节点坐标作为形状 变量, 可改变结构外形
拓扑优化
节点可增可减, 坐标位 置也可改变.
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9
结构尺寸优化
输电塔优化设计
桥梁优化设计
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10
结构形状优化
输电塔形状优化
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11
初始设计以及设计参数
u2 u1 u6 u5
怎样做？ 逻辑分析
协调 追求效率
管理科学 系统科学
人理
人、群体、关系 为人处事的道理
最好怎么做？可 能是？ 人文分析
讲人性、和谐 追求成效
人文知识 行为科学
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5
1.1 结构优化设计含义
提出结构的初始设计 确定给定设计的性能（力学分析往往最主要）
判定设计的优劣 改进设计,重复上列过程直到满意为止
传统的设计由于受到时间、人力和费用的限制，往往不 能反复迭代修改；
在我国，很多企业往往是将引进设计简单放大；
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6
1.2 结构优化的三个基本要素
目标函数:
可以是结构建造成本、结构重量、结构寿命、可靠性、 鲁棒性、结构性能（振幅，加速度）等;单目标多目标; 线性非线性;
约束条件:
可以是对结构性能、尺寸、重量和成本的限制；可以 是等式或非等式约束；线性非线性;
设计变量:
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14
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15
飞机舱门连接铰链结构拓扑优化
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16
1.4 结构优化的主要方法
有限元法(或边界元法…)和优化方法的结合 成为近代结构优化的基础
60年代，有限元方法和运筹学得到快速发展，和计算 机技术结合，人们有可能利用计算机在相对来说比较短 的时间内完成一个结构设计方案的分析、获得结构性能 对设计参数的灵敏度并指导设计修改，结构优化成为设 计的重要工具。
荣见华，郑健龙，徐飞鸿编著 结构动力修改及优化 设计 2002.10
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2
第一章 结构优化设计的一般概念
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3
什么是优化？
从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学 中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设 计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定 的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。
优化设计的层次
结构尺寸优化用以确定杆系结构中的杆件最优断面积；板 壳结构的最优厚度；在优化过程有限元模型不变；
结构形状优化用以确定桁架的最优节点位置，结构边界和
孔洞的形状；在优化过程中，有限元的单元形状和网格剖
分需要调整
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8
三种不 同的优 化概念
WOPT=1136Kg WOPT=756Kg WOPT=401Kg
初始设计 分析校核 修改设计 重新分析 优化?
有限元方法
灵敏度分析 近似重分析 优化方法
收敛准则
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17
有限元分析 与优化的关系
从有限元分析角度----每个有限单元代表一个受力单元。整 个结构的力学特性是由所有单元的力学特性综合得来；
从优化设计角度----每一个有限单元就是一个设计单元，改 变其主要尺寸(设计变量)，将改变其力学特性。
u4 u3
u8
u7 2789 N
5066 N
应力云图
最优设计及应力分布
最小化结构重量
s.t.
max 800 MPa
结构重量由0.878kg 减为 0.421 kg 减重达到48%！
厚度 = 0.3 cm
材料为钢 E = 207 GPa and = 0.3 .
12
结 构 拓 扑 优 化
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13
1978年计算力学作为力学学科12个发展方向之一列入 我国力学规划。结构优化设计因为其重要性，成为 计算力学主攻方向之一。在这一阶段国内学者提出 了序列二次规划等方法，形成了若干可处理多约束、 多工况、多单元的大型结构优化软件，如HAJIF, DDDU, YIDOU等，并应用. 于一批工程实际问题。 22
共同点----都是以有限单元为对象; 不同点----有限元分析只需要一次结构分析就完成了;
结构优化设计需要多次迭代才能完成。
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18
1.5 结构优化主要算法
1、准则法：直接求解最优化必要条件，由于这 些条件往往是非线性等式-不等式方程组，需 要迭代求解；
2、数学规划法（最速下降法（瞎子下山法，摸 着石头过河），梯度投影法，罚函数法，序列 无约束优化方法，0.618法，牛顿法，单纯形 法、复形法等）
i 1
j 1
i 0, i gi 0, i 1,2.,,, m
j 0, jhj 0, j 1,2,...n
人们还建立很多依据物理直觉或经验的准则
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1.6 结构优化的主要软件
在60，70和80年代，研究工作集中在结构尺寸和形状 优化，形成了规划法、准则法和近似概念法等结构 优化方法，建立了灵敏度分析的解析法、半解析法、 差分法等多种方法，和有限元分析方法相结合，出 现了一批应用软件。特别，近年来，相当一批通用 有限元程序，如NASTRAN，ANSYS，具备了一定 的优化功能。出现了以结构优化见长的Altair软件；
3、启发式方法（模拟退火算法，遗传算法，神 经元网络）
已经有不少软件包可供使用
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结构优化算法的基本思路
关键： 确定搜索方向（往哪走.）以及前进步长（走多少）20
准则法: 将优化问题转化为寻求满足准则的解
Kuhn-Tucker准则为理论上的最优化准则 (最优解满足的必要条件)
m
n
f igi jhj