钢筋混凝土框架结构优化设计研究及系统开发-现代结构理论专业论文.docxVIP

西安建筑科技大学硕士论文 西安建筑科技大学硕士论文 西安建筑科技大学硕士论文 西安建筑科技大学硕士论文 PAGE PAGE 6 PAGE PAGE 11 结构优化设计具有现实意义，使结构的可靠性与经济性完 美结合， 具有显著的经济 和社会效益问。 1.2 研究现状 1.2.1 结构优化设计的发展历程 结构优化设计思想最早起源于 1854 年 J.C.Maxwell 提出的基本原理和 1904 年 A.GMichell 发展应用的布局理论。 20世纪 60年代随着计算机在结构设计中的 广泛 应用，形成了结构优化设计这一交叉性学科 。结构优化设计的发展历经了 三个主要 阶段(11) : (l)结构构件与简单结构体系优化 基于塑性破坏理论或极限分析设计原理(力学准则〉的最轻设计应用于各类结 构构件和简单结构体系，如梁、柱、精架杆、平面椅架、刚架等，实现了构件 与简 单结构体系的截面尺 寸优化。自 1904年A.GMichell 实现了街架杆截面的优化设计 以来，国内外对此进行了大量研究，目前己基本成熟 。但这种优化方法基本局限于 简单构件在单一条件下的最轻问题(最小截面问题)，并且力学准则应用于优化的 严格成立条件仍缺乏科学的系统研究，因而还不能应用于工程实践。 (2) 数学规划方法引入结构优化设计 伴随着计算机技术的发展，以L.A.Schmit 为代表，将数学规划方法引入了结构 优化设计，在 1960 年前后出现了各种优化的数学规划方法。由于利用计算机进行 数值求解，大大提高了解题的速度和能力，同时人们发现力学准则法进行的设计不 一定是最轻设计，因此数 学规划方法在结构优化设计领域得到了更广泛应用。其优 点是具有严格的理论基础，可以求得符合数学原理的精确最优解，缺点是求解效率 较低。结构优化设计工况多、约束多、变量多，照搬数学规划的各种数值有哪些信誉好的足球投注网站方法 只能解决规模较小的问题，对于复杂的实际工程结构优化问题，目前仍然受到计算 机技术的制约，因此在 20 世纪 70年代末出现了将力学准则法和数学规划法逐步统 一的混合方法，解决了 一些中小规模的工程实际问题。 (3)有限元结构分析与结构优化设计相结合 有限元结构分析与数学规划活相结合，使结构优化设计的研究工作进 一步推向 前进，使分析大型甚至超大型结构成为可能。比较成熟的理论是把结构设计定义为 构件级和整体级两个水准的设计问题，通过多重有限元结构分析确定逼近最优的构 件截面，从而实现构件级优化，同时采用非线性规划方法求解整体级优化问题，经 过数次拆分、组合的循环，可以得到最优解。 此外，随着仿生学、遗传学和人工智能科学的发展，科学家相继将遗传学、神 经网络科学的原理和方法应用到优化领域，形成了诸如遗传算法、神经网络算法、 蚁群算法等一系列新的优化方法 14)[10)。这些算法具有全局性、自适应性、离散化等 特点。目前，对此类理论方法的研究应用正处在进一步探索中，将成为结构优化设 计的研究热点和发展方向。 1.2.2 结构优化设计的应用现状 20 世纪 60年代初期，国外首先在航空部门开始了结构优化，不久在土建、船 舶、机械等部门也相继展开。我国在结构优化方面的研究起步较晚， 1973 年钱令希 教授发表的结构优化设计的近代发展一文，可以说是国内研究结构优化设计的 …个开端(81111) 。目前，结构优化设计方法日趋完善，包括的内容和应用范围也越来 越广。但是，实际应用还远远落后于理论的进展。主要原因有: (1)设计人员不熟悉结构优化的理论和方法，亟待普及优化知识: (2) 现行规范和规程还没有明确要求采用优化设计: (3)优化的目标还不能完全符合工程需要，由于实际结构存在的问题往往 十 分复杂，甚至多种因素不确定，使得目标函数在建立后只能得到相对最优解: (4) 土木工程界的管理体制和设计取费标准(按造价或面积取费〉使人们缺 乏追求优化设计的动力 : (5) 虽然大型有限元结构分析软件和优化设计软件包等相继出现，但大多为 通用设计软件 ，使用相对复杂、针对性不强、不便于工程设计人员日常操作。 1.2.3 钢筋混凝土框架结构优化设计现状及不足 目前，在钢筋混凝土框架结构优化设计方面，相关研究还不够深入，对离散型 变量、多目标优化、智能优化方法的应用等也才刚刚起步。 1994 年美国 Holand 提 出了基于遗传算法的结构优化设计; 1999 年卢海林等利用 PASCAL 语言开发了基 于准则优化方法的钢筋混凝土框架结构优化 CAD 系统(12); 2001 年王宏丽利用 FORTRAN 程序对框架进行了有限元分析，并运用 C 语言编译了基于遗传算法的框 架梁、柱结构优化程序问; 2003 年牡太生等人提 出了新的离散