工程結構優(yōu)化的方法與概念,結構工程論文構造是工程應用中很重要的一個環(huán)節(jié)，假如構造的不合理可能因而會導致構件的承載力不夠強或者是過于復雜的構造也會導致原材料的大量浪費。構造優(yōu)化設計就是在知足使用要求的前提條件下，進行構造方面的調整，或者是減少原材料，或者是將構造簡化等步驟。傳統(tǒng)的構造優(yōu)化設計主要是根據(jù)構造設計人員的經(jīng)歷體驗進行判定，提出一些較為基本的方案，然后在根據(jù)一些判定方式方法進行優(yōu)化直到知足為止。但是傳統(tǒng)的構造優(yōu)化設計的缺點在于構造優(yōu)化設計只能對非重要的承載構造進行調整，而且更為費事的，這種調整是牽一發(fā)而動全身的，很難以一步到位，這就需要設計師具有豐富的經(jīng)歷體驗，并且也將花費甚大，而面對十分復雜的構造的情況下，這種優(yōu)化設計幾乎無計可施。上世紀50年代，隨著電子計算機的發(fā)展，很多工程問題能夠再借助計算機而得以不斷的解決出來，如今常見的有限元分析方式方法，就是通過計算機建模加載一些參數(shù)，能夠得出構造體中某些部位受應力分布的情況，能夠在做大量的模型情況下選擇一種比擬滿意的結果。同時隨著數(shù)學規(guī)劃的引入，也給構造優(yōu)化設計帶來了很大的便利，因而，將有限元分析方式方法和數(shù)學規(guī)劃有機的結合在一起，能夠在很短的時間內就能夠實現(xiàn)構造的優(yōu)化設計。而與此同時，另一個優(yōu)化理念－準則法被廣泛的使用，它是基于某種物理方面的性質而設立的，建立相應的迭代算式(屢次反復的重復計算)，計算結果直至收斂。后面引神經(jīng)元網(wǎng)絡技術，其具有自適應性和自組織性的能力，能夠模擬人腦進行不斷的自我學習的經(jīng)過，華而不實一種情況是模擬，用規(guī)定的形式進行學習和模擬，另外一種是僅僅限定某些學習的規(guī)則，并不直接提供經(jīng)過，因而此方式愈加接近人腦的經(jīng)過。1、大型構造優(yōu)化設計1．1大型構造設計的要求好的構造設計是指在在正常施工和建設的狀態(tài)后，能知足如下的幾個要求:(1)安全性原則:無論如何的構造設計，在建設完成后，首要的問題即為安全，在正常的設計使用壽命之內，不能出現(xiàn)任何關乎到建筑構造安全的事故，即便是在存在突發(fā)狀況下，如發(fā)生地震、泥石流等自然災禍的情況下，不至于發(fā)生倒塌等的事故;(2)適用性原則:在使用的經(jīng)過中，不能出現(xiàn)太多影響使用的問題，如墻體出現(xiàn)不可接受的大的裂縫、傾斜等事故。1．2大型構造優(yōu)化設計的窘境盡管基于有限元的分析方式方法已經(jīng)得到了普及，且對于特定的構造問題也有相當多的案例。優(yōu)化理論和算法也日漸增加，但是事實上有限元分析法和優(yōu)化方式方法的結合的使用方式方法在實際使用經(jīng)過中卻并多見。一方面來講，隨著建筑方面的發(fā)展，越來越多愈加復雜的鋼構造正在不斷的被設計出來，與此同時，針對這些日益復雜的鋼構造的優(yōu)化方案卻是屈指可數(shù)，并且更為棘手的是，隨著摩天大樓的不斷涌現(xiàn)，構造的優(yōu)化設計做的不好，不僅會對整個建筑的安全產生較大的隱患，而且在經(jīng)濟上來講，會造成較大的浪費。2、構造優(yōu)化的方式方法構造優(yōu)化的方式方法根據(jù)優(yōu)化的層次不同可大致分為尺寸的優(yōu)化、形狀的優(yōu)化和拓撲構造的優(yōu)化。其基本經(jīng)過為假設、分析和屢次重新設計的一個經(jīng)過，詳細即是為了找到一個構造的最合理的方案，需要對構造設計進行重新評估，對方案進行不斷的修改和優(yōu)化，最終能夠實現(xiàn)獲取最優(yōu)解的目的。華而不實尺寸優(yōu)化的方式方法因其基本，正在逐步的被淘汰。而拓撲構造也將會是發(fā)展的趨勢。2．1尺寸優(yōu)化在構造的類型、材料和布局等的幾何尺寸不變的情況下，優(yōu)化各個組成構件的截面尺寸，使得構造最輕或者最為經(jīng)濟而選擇的優(yōu)化方式方法。優(yōu)化的變量能夠為桿的橫截面積，可以為厚度或者為材料的方向角度等。在進行有限元計算的經(jīng)過中，能夠利用數(shù)學規(guī)劃方式方法和敏度分析等就能夠進行對尺寸的優(yōu)化。2．2形狀優(yōu)化形狀優(yōu)化的主要特征是研究怎樣確定構造的邊界形狀或者是內部的一些幾何形狀，進而能夠改善構造的特性。而確定幾何形狀的目的是為了降低應力的集中，或者是能夠改善應力的分布，這個也是解決因應力集中或者是疲憊導致的毀壞問題的一種非常有效的手段。2．3拓撲優(yōu)化拓撲優(yōu)化是構造優(yōu)化的一種。構造優(yōu)化可分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。華而不實尺寸優(yōu)化以構造設計參數(shù)為優(yōu)化對象，比方板厚、梁的截面寬、長和厚等;形狀優(yōu)化以構造件外形或者孔洞形狀為優(yōu)化對象，比方凸臺過渡倒角的形狀等;形貌優(yōu)化是在已有薄板上尋找新的凸臺分布，提高局部剛度;拓撲優(yōu)化以材料分布為優(yōu)化對象，通過拓撲優(yōu)化，能夠在均勻分布材料的設計空間中找到最佳的分布方案。拓撲優(yōu)化相對于尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，具有更多的設計自由度，能夠獲得更大的設計空間，是構造優(yōu)化最具發(fā)展前景的一個方面。圖示例子展示了尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化在設計減重孔時的不同表現(xiàn)。3、構造優(yōu)化的理念在分析經(jīng)過中，需要在知足各種參數(shù)的情況下，并求出知足不同的約束條件，且使得目的函數(shù)能得到最小值的設計方式方法。(1)數(shù)學模型建立:根據(jù)需要分析的構造對象，對之進行相對應的數(shù)學建模。(2)變量的設計:變量即為能夠在某種程度上描繪敘述構造的量，包括設計截面的幾何參數(shù)等信息，能夠是柱的高度等等。變量又包括連續(xù)性變量和離散型變量，連續(xù)性變量能夠實現(xiàn)連續(xù)變化，而離散的則不能實現(xiàn)連續(xù)變化。(3)目的函數(shù):通常能夠衡量設計好壞的一個較為重要的指標，能夠反響設計的性能，可以以反響一些經(jīng)濟性能。(4)約束條件:通常能夠大致的分為幾何約束以及性態(tài)約束。通常幾何約束指的是在幾何尺寸等方面加以限制，幾何尺寸不會發(fā)生太大的變化。而性態(tài)約束通常是指的是構造的固有的一些性質，如震動頻率等不發(fā)生變化。4結束語構造優(yōu)化設計的發(fā)展趨勢為:(1)拓撲構造的發(fā)展:從拓撲構造的構造優(yōu)化設計的理念中可知，拓撲構造具有良好的發(fā)展水平，盡管正處于開場階段，但是已經(jīng)展現(xiàn)出了良好的前景;(2)有限元計算和優(yōu)化方式方法的結合:隨著有限元計算方式方法的功能日益強大，且隨著優(yōu)化的計算方式方法的適用性更高層次，會對優(yōu)化設計起到很大的輔助作用。構造優(yōu)化設計是一個系統(tǒng)的經(jīng)過，并且隨著計算機的性能提高和各種優(yōu)化算法的提出，優(yōu)化設計呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。以構造動態(tài)響應為約束的動力優(yōu)化設計具有特別現(xiàn)實的工程背景，它將成為今后廣為關注的一個前沿性課題。以下為參考文獻：［1］錢令希，程耿東，隋允康，鐘萬勰，林家浩．構造優(yōu)化設計理論與方式方法的某些進展［J］．自然科學進展