粒子群优化算法及其在板结构优化设计中的应用

摘要

近些年来，由于合理的优化设计可以减少工程的造价，使得工程师们越来越重视结构的优化设计。而多数的传统优化设计方法对目标函数及其所受的约束边界做出过多的限制，在求解实际工程中的优化问题上带来诸多不便。一种新的基于群体智能的随机优化算法一粒子群优化算法在1995年被提出来后，受到研究人员的广泛关注。它在求解过程中不依赖目标函数的解析性质，同时能通过对问题在解空间中进行多点并行搜索，并以较大的概率收敛于全局最优解。 本文将粒子群优化算法，被动群集粒子群优化算法，启发式粒子群优化算法，三种粒子群优化算法与有限元法结合，基于ANSY软件的平台上，用APDL语言编写成三个不同算法的主体程序和多个宏文件，其中包含有，模型宏文件，求解宏文件，边界判断宏文件，结果输出宏文件等，各个主体程序调用相应的宏文件进行计算，实现不同算法对板结构的截面优化设计。 在给定了板结构的材料参数，位移边界条，应力边界条件及板厚的约束条件的前提下，确定表征板厚度的设计变量，以连续变量和离散变量两种设计类型，满足三种约束的条件下实现结构重量最轻。 对板的厚度约束设计为鸟群体的自变量边界，将应力与位移约束设计为鸟群体的约束变量的边界，通过鸟群体在空间中的搜索，实现在不同的区域内寻找出群体最优解，来实现对板结构的截面优化设计。 在ANSYS软件的基础上，利用ANSYS提供的APDL语言，对板结构的截面优化的优化模块进行二次开发，分别采用三种粒子群优化算法，选取不同的板单元对薄板、中厚板两种不同的板结构进行优化，并通过多个算例验证了程序具有合理性，精确性和收敛速度快等特点。 最后，尝试将粒子群算法应用到实际工程中来，并以冲压板结构的截面优化设计为例，检验该算法在实际工程应用中的可能性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2课题的研究背景

1.2.1算法的国内外研究背景

1.2.2工程结构优化的研究背景

1.3本文的研究内容

1.4本文的创新之处

第二章 最优化问题

2.1什么是最优化

2.2最优化问题的数学描述

2.3最优化问题的数学模型的构成

2.3.1优化模型的定义

2.3.2数学模型的构成

2.4最优化问题的分类

2.4.1最优控制问题的分类

2.4.2参数最优化问题的分类

2.5优化方法的解体步骤

第三章全局最优化相关算法

3.1确定性方法

3.2随机性方法

第四章三种粒子群算法

4.1粒子群优化算法(PSO)

4.2被动群集粒子群优化算法(PSOPC)

4.3启发式粒子群优化算法(HPSO)

4.4映射函数法处理离散变量

4.5本章小结

第五章板结构及其单元

5.1板的理论知识的介绍

5.1.1薄板

5.1.2厚板

5.2板单元介绍

5.2.1 SHELL63单元说明

5.2.2 SHELL63数据输入

5.2.3 SHELL63输入摘要

5.2.4 SHELL63输出数据

5.2.5 SHELL63假设与限制

5.2.6壳单元SHELL181

5.3本章小结

第六章薄板结构截面优化设计应用(连续变量)

6.1引言

6.2薄板结构截面优化算例(连续变量)

6.2.1单块方板结构截面优化算例

6.2.2四块组合板结构截面优化算例

6.2.3九块组合板结构截面优化算例

6.2.4二十五块组合板结构截面优化算例

6.2.5三十六块组合板结构截面优化算例

6.3本章小结

第七章薄板结构截面优化设计应用(离散变量)

7.1引言

7.2薄板结构截面优化设计算例(离散变量)

7.2.1单块方板结构截面优化算例

7.2.2四块组合板结构截面优化算例

7.2.3九块组合板结构截面优化算例

7.2.4二十五块组合板结构截面优化算例

7.2.5三十六块组合板结构截面优化算例

7.3本章小结

第八章 中厚板结构截面优化设计应用

8.1引言

8.2中厚板结构截面优化算例(连续变量)

8.2.1单块圆板结构截面优化算例

8.2.2矩型板结构截面优化算例

8.2.3六块组合板结构截面优化算例

8.3中厚板结构截面优化算例(离散变量)

8.3.1单块中厚圆板结构截面优化算例

8.3.2矩型板中厚结构截面优化算例

8.3.3六块组合中厚板结构截面优化算例

8.4本章小结

第九章 橡胶护舷冲压板结构截面优化设计应用

9.1引言

9.2冲压板结构截面优化算例

9.2.1工程背景

9.2.2问题定义与分析目标

9.2.3有限元模型

9.3本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢