【正文】 基于模擬退火的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 學(xué)生姓名： 劉霖 班級： 0981013 指導(dǎo)老師： 孫士平 摘要： 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不僅可以降低結(jié)構(gòu)重量和材料成本，而且能夠改進(jìn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剮度、振動特性、屈曲穩(wěn)定性等性能，是計算力學(xué)以及現(xiàn)代設(shè)計制造領(lǐng)域的重要研究方向。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，大致有優(yōu)化準(zhǔn)則法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、混合法、隨機(jī)搜索法等。其中，遺傳算法、模擬退火算法等新的隨機(jī)搜索方法，在處理全局優(yōu)化、離散變量、多連通可行區(qū)等困難問題中，具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法不可比擬的優(yōu)勢。雖然它們的計算效率很低，但是在計算機(jī)計算速度不斷提高的條件下，具有不可低估的發(fā)展?jié)摿椭匾难芯績r值。 在眾多學(xué)者的不懈努力下，這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但仍有一些問題值得進(jìn)一步深入探討。近年來，高性能復(fù)合材料的使用促進(jìn)了層合板優(yōu)化設(shè)計程序的發(fā)展。設(shè)計復(fù)合材料層合板，得到了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法具有一定的局限性，如需要梯度信息和難以收斂到全局最優(yōu)解等問題。不依賴于具體問題的直接搜索方法“模擬退火算法 近年來備受重視。 本文的研究工作由兩部分組成： 1．在研究分析基本的模擬退火算法 原理 2．在若干類型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題中應(yīng)用本文改進(jìn)的模擬退火算法，通過算例的數(shù)值試驗(yàn)和算法比較表明，模擬退火算法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的某些困難問題中具有其特點(diǎn)，本文的 優(yōu)化算法 是可行和有效的。 關(guān)鍵詞： 模擬退火算法；復(fù)合材料鋪層優(yōu)化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 指導(dǎo)老師簽名： Structure optimum design based on simulated annealing Student name: Liu Lin class: 0981013 Supervisor: Sun shipin Abstract： Topology optimization is now me most challenging topic in the filed of structural optimization． Topology optimization is that fulling constraint then searching a optimum material distribution in a prescribed design domain or optimal connection of ponent in a discrete structure． It is a valuable tool for designers since it can provide novel conceptual designs Although a lot of achievements have been made in topology optimization by some scholars， there are still some problems need further discussion． In recently years, the fact of applying posite material and more promotes stackingsequence optimization developing. The stacking sequence optimization is attended broadly. Tradition optimum methods are restrained, this methods need gradient, convex programming, single peak annealing algorithm is direct searching optimum solution。 it is independency of these idiographic questions. Recently years,lots of experts pay attention to SA. A lot of achievements have been made in topology optimization by some scholars,there are still some problems need further discussion. In recently years, the fact of applying posite material more and more promotes stackingsequence optimization developing. The stackingsequence optimization is attended broadly. Traditional optimum methods are restrained, these methods need gradient,convex programming, single peak etc. Simulated annealing algorithm is direct searching optimum solutions: it is independency of these idiographic questions. In this paper, SA is used in truss topology optimization and stackingsequence optimization. 目錄 1 序言 引言 ............................................................................1 本文研究課題及其意義 ...............................................2 2 模擬退火算法 模擬退火算法的特點(diǎn) ........................................................4 SA算法的基本原理 ..........................................................3 SA算法的理 論研究 ..........................................................5 SA算法的發(fā)展趨勢 ..........................................................6 復(fù)合材料的優(yōu)化方法 ........................................................3 SA算法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用 ............................................7 3 層合板在屈曲、震動在 ANSYS中的分析 ANSYS的發(fā)展應(yīng)用 ............................................................8 復(fù)合材料的屈曲、震動在 ANSYS中的實(shí)例分析 ...................9 4 MATLAB調(diào)用 ANSYA文件進(jìn)優(yōu)化計算 MATLAB遺傳算法工具箱（ GAOT)..................................10 MATLAB調(diào)用 ANSYS.....................................................11 MATLAB與 ANSYS數(shù)據(jù)傳遞 ..........................................12 5 總結(jié) ........................................................................................13 參考 文獻(xiàn) ........................................................................................14 1 序言 引言 自 1 8世紀(jì)中葉，瓦特改良蒸汽機(jī)之后，由一系列技術(shù)革命引起了從手工勞動向動力機(jī)器生產(chǎn)的重大轉(zhuǎn)變。從這次工業(yè)革命開始，多種多樣的機(jī)械、建筑、 工具等相繼出現(xiàn)。 在原材料有限的情況下，最優(yōu)設(shè)計意味著滿足一定的性能要求，并且使得結(jié) 構(gòu)的重量最輕或材料成本最低。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法 是一個重要的設(shè)計手段，結(jié)構(gòu)優(yōu)化 已經(jīng)成為一個重要的研究領(lǐng)域 {1}。 優(yōu)化方法在各種工程系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，乃至社會系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 優(yōu)化理論的研究也一直是一個十分活躍的領(lǐng)域，出版了許多最優(yōu)化理論、方法和 應(yīng)用的著作和譯作。但是，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法有較大的局限性 ， 如需要梯度信息、凸規(guī)劃、單峰問題等等。它往往要求目標(biāo)函數(shù)是凸的、高階連續(xù)可微的，可行域是凸集。而且其處理非確定性信息的能力很差。這些弱點(diǎn)使傳統(tǒng)優(yōu)化方法在復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。而隨著科技的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，許多問題用傳統(tǒng)的方法難以求 解，需要一種全新的優(yōu)化方法來處理這類問題。 近年來，人們提出了一些不依賴于具體問題的直接搜索方法，如模擬退火算法、均場退火算法、禁忌搜索算法、遺傳算法等軟計算方法。模擬退火算法(Simulated Annealing，簡稱 SA)是近年來備受重視的一類軟計算方法，能解決傳統(tǒng)的優(yōu)化方法難于解決的某些問題，在 VLSI、生產(chǎn)調(diào)度、控制工程、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、函數(shù)優(yōu)化等許多領(lǐng)域得到廣泛的研究。智能優(yōu)化方法和軟計算方法發(fā)展迅速 ， 這兩者并沒有明確的定義和分界。一般說來，前者包括遺傳算法、禁忌搜索、模擬退火和人 工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法；后者則強(qiáng)調(diào)模糊邏輯與各種進(jìn)化算法的結(jié)合，主張采用快速高效的非精確算法。這類新的優(yōu)化方法目前在理論上還遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)優(yōu)化方法完善，往往也不能確保解的最優(yōu)性，因而常常被視為“只是一些啟發(fā)式方法”。但從觀念上看，他們突破了傳統(tǒng)優(yōu)化思維的束縛，例如遺傳算法模擬生物種群繁殖中的競爭思想，軟計算不以數(shù)學(xué)上的精確解為目標(biāo)的思想等等，都是觀念上的創(chuàng)新，非常有價值。從實(shí)際應(yīng)用的觀點(diǎn)看，這類新算法不要求目標(biāo)函數(shù)和約束的連續(xù)性與凸性，甚至連有沒有解析表達(dá)式都不要求；對計算中數(shù)據(jù)的不確定性也有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，計算速度 快，這些寶貴的優(yōu)點(diǎn)使這類算法在很短的時間里就得到了廣泛應(yīng)用，展示出方興未艾的強(qiáng)勁發(fā)展勢頭。 本文研究課題及其意義 復(fù)合材料力學(xué)以增強(qiáng)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)為研究對象， 本文 主要研究層合板和層合殼結(jié)構(gòu)屈曲與振動問題，研究中采用宏觀力學(xué)模型，可以分辨出層和層組的應(yīng)力。這些應(yīng)力的平均值為層合板應(yīng)力。研究方法以有限元方法及有限元軟件進(jìn)行仿真計算 為主 。 隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法的發(fā)展，復(fù)雜的工程問題可以采用離散化的數(shù) 值計算方法并借助計算機(jī)得到滿足工程要求的數(shù)值解。當(dāng)今，國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā) 展和交通運(yùn)輸體系 的全面建立，汽車及機(jī)械工業(yè)得到了飛速發(fā)展。特別是電子技 術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用為現(xiàn)代汽車的科技進(jìn)步，提供了兩種有力的手段。產(chǎn) 品開發(fā)和科學(xué)管理中，都已開始采用計算機(jī)輔助設(shè)計，而優(yōu)化設(shè)計又是其靈魂和 核心。根據(jù)近十幾年來的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計研究的發(fā)展?fàn)顩r表明，汽車優(yōu)化設(shè)計理論 和方法已應(yīng)用于汽車的很多子系統(tǒng)的設(shè)計，如汽車整車動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化和匹配，汽車的發(fā)動機(jī)、底盤、車身各主要部分集成的優(yōu)化設(shè)計等，使汽車產(chǎn)品的性能和水平得到提高。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)中，更容易取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，進(jìn)一步研究 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，既有理論價值，又有現(xiàn)實(shí)意義。 本文研究分析 了 經(jīng)典的模擬退火算法原理和綜合 了 近期關(guān)于模擬退火算法 。任何時代都要設(shè)計和建造工程結(jié)構(gòu)物 ， 時代越進(jìn)步，對結(jié)構(gòu)的要求就越高，設(shè)計中要考慮的因素也越復(fù)雜，而用傳統(tǒng)的設(shè)計方法往往就難以應(yīng)付了。要把結(jié)構(gòu)設(shè)計得盡量符合要求，那就需要更新的現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論與方法 {2}”。傳統(tǒng)設(shè)計是設(shè)計工程師根據(jù)自己的理論知識和豐富的工程實(shí)際設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，首先針對用戶