桥梁结构静力模型修正响应面方法试验设计研究

在基于响应面方法的结构模型修正中,参数试验设计对于响应面模型(函数,)以及最后结构模型修正结果的精度具有决定作用.对正交、中心复合、均匀试验设计方法进行了比较和分析,并结合一片两跨连续梁结构静力试验模型修正的数值算例,分析了不同试验设计对结构模型修正结果的影响.理论和数值算例分析表明,均匀试验设计具有设计点(参数选取)较少、结构有限元计算量少,且精度可接受的优点,更适合基于响应面方法的桥梁结构模型修正.     

基于混沌猴群算法的结构有限元模型修正研究

有限元模型修正可转化为优化问题,基于此,将全局寻优算法--混沌猴群算法引入到有限元模型的修正中。利用响应面法,实现结构响应与待修正参数间非线性隐性关系的显式表达,基于最小残差原理,建立优化目标函数;利用混沌猴群算法求解该函数,得到修正后的结构有限元模型。以一个数值算例验证了该方法在结构有限元修正中应用的可行性。本文研究拓宽混沌猴群算法的应用范围,为有限元模型修正提供了一种新的思路。     

基于代理模型的汽车乘员约束系统性能优化

针对汽车碰撞乘员约束系统优化设计中多参数和非线性问题,提出了基于径向基函数代理模型的优化设计方法,通过LS-DYNA分析软件建立正面碰撞乘员约束系统的仿真模型并对其进行验证.基于该模型选取对响应影响较大的设计变量作为优化变量,在LS-OPT中选择径向基函数构建代理模型,采用空间填充试验方法进行试验设计,运用自适应模拟退火算法进行优化求解.优化结果表明:人体综合损伤WIC值相比初始设计值降低了28.2%,实现了对设计目标的优化.     

基于近似模型和数值模拟的连杆热锻成形工艺设计优化

提出了基于近似模型和数值模拟的设计优化方法.在利用有限元分析连杆热锻成形过程的基础上,以降低锻件成形过程中变形损伤为目标,以飞边槽形状参数为设计变量,采用响应面法近似模型建立了设计变量与目标函数的初始近似模型.在设计优化过程中,用近似模型代替实际的数值模拟程序,计算锻件内部的损伤值,对连杆热锻成形工艺参数进行了优化计算,取得了较为理想的效果.     

基于响应面法和麻雀搜索算法的结构有限元模型修正

为了获取准确可靠的结构有限元模型,提供结构运营期间健康监测和状态再分析的基准参照,提出了一种基于响应面法(response surface method,RSM)和麻雀搜索算法(sparrow search algorithm,SSA)的结构有限元模型修正方法.首先,基于响应面法,采用拉丁超立方设计方法进行试验设计获取样本点,以简单低阶数学模型代替特征量与参数间复杂的映射关系,构造结构宏观响应与各参数的解析表达式,基于逐步回归分析进行基函数显著性检验,运用方差理论检验模型精度获取最优响应面模型,并联合结构动力响应残差和构造目标函数;其次,基于麻雀搜索算法,对目标函数进行优化求解得到各参数最优解,代入初始有限元模型中,实现对初始有限元模型的修正;最后,基于RSM-SSA有限元模型修正方法对高维局部损伤悬臂梁数值模型实施修正,验证所提方法的可靠性和可行性,并与基于其他新兴群智能优化算法的有限元模型修正结果进行对比.结果 表明:采用该方法修正的参数和频率误差均值分别为6.549％、0.279％,修正效率和精度较其他算法有显著提升,修正后的有限元模型具有较高的精度,可真实反映结构实际力学行为.该方法为结构有限元模型修正提供一种新思路.     

基于混沌猴群算法的结构有限元模型修正

有限元模型修正可转化为优化问题;基于此,将全局寻优算法——混沌猴群算法引入到有限元模型的修正中。利用响应面法,实现结构响应与待修正参数间非线性隐性关系的显式表达。基于最小残差原理,建立优化目标函数;利用混沌猴群算法求解该函数,得到修正后的结构有限元模型。以一个数值算例验证了该方法在结构有限元修正中应用的可行性。研究拓宽混沌猴群算法的应用范围,为有限元模型修正提供了一种新的思路。     

动静刚度约束下客车骨架的轻量化设计

对由矩形管梁拼焊而成的客车骨架结构进行轻量化研究.首先计算了矩形管梁单元的截面特性,并定义了客车骨架的静态弯扭刚度响应与动态频率刚度响应.其次建立了客车结构优化数学模型:目标函数是车身骨架质量;设计变量是矩形管截面宽度、高度与厚度;约束是弯扭刚度与频率刚度.然后推导了响应对设计变量的灵敏度信息,并采用序列线性规划求解了该非线性优化模型.最后通过数值算例验证了该模型能在满足约束条件的前提下高效地获得轻量化的客车最优结构.     

考虑随机变量相关性的桥梁地震易损性分析

引入Nataf变换,结合均匀设计响应面法,提出了一种综合考虑地震动和结构不确定性及结构参数相关性的桥梁地震易损性分析方法.以一多跨连续梁桥为研究对象,分别对算例桥梁在考虑与不考虑结构参数相关性情况下进行了地震易损性分析.同时,分析了考虑结构参数变量相关性对结构易损性分析和响应面模型精度的影响.结果表明:本文方法可以有效考虑结构参数之间的相关性,且考虑变量相关性后建立的响应面能够更好地拟合结构真实的极限状态函数曲面;桥梁结构在各个破坏状态下的失效概率均有一定程度的降低;忽略结构参数相关性的影响,可能会低估桥梁结构在地震作用下的抗震性能.     

结构静力有限元模型修正中的目标函数构造分析

阐述了利用静载试验成果、进行结构静力有限元模型修正的一般的过程,在分析其修正优化目标函数构造主要影响因素的基础上,提出了综合考虑结构试验荷载测试误差、静力试验响应测试误差和响应类型差异(数值大小差异)的目标函数构造方法,并通过简支梁静载试验的数值算例进行了应用验证.     

面向刚度曲线的汽车前保险杠缓冲块优化设计

汽车前端结构刚度的合理设计可以有效改善行人保护性能,以刚度曲线为目标,利用结构优化方法对保险杠缓冲块进行了结构优化设计。对某乘用车前保险杠进行冲击实验,建立前保险杠与刚性柱碰撞的有限元模型,对比仿真和实验得到的刚度曲线,验证了有限元模型的准确性。为了使保险杠区域的刚度曲线达到理想刚度曲线的要求,以缓冲块的材料刚度和几何形状作为设计变量,将保险杠刚度曲线与理想刚度曲线所围成的面积最小化作为目标,采用自适应响应面法进行优化求解。结果表明,优化后的材料刚度和几何形状所对应的保险杠刚度曲线与理想刚度曲线比较接近,能够满足行人保护的要求。     

基于响应面法的听小骨消声器的优化设计

为了改善听小骨消声器的消声性能,并减轻质量,以消声器低频和宽频的平均传递损失作为优化目标,以消声器的结构参数(进出口管道宽度、封闭腔深度、封闭腔长度)作为优化变量,消声器的质量作为约束条件,对其结构参数进行优化.建立了听小骨消声器的有限元模型,采用中心组合试验设计获得样本点,利用响应面法构造二次多项式响应面模型,并检验了响应面模型的拟合精度.将响应面模型和NSGA-Ⅱ遗传算法相结合对消声器的结构参数进行了优化.优化后消声器低频和宽频的消声性能得到改善,质量减轻,表明了响应面法和遗传算法相结合的消声器结构参数优化方法的有效性.     

空问映射与响应面法相结合的改进优化算法

在空间映射与响应面法相结合的基础上修改了序列响应面的程序流程,从而改变了应用响应面方法优化时的迭代本质.改进方法无须每次迭代重新拟合低保真模型响应面,只在第一次迭代拟合响应面,在此基础上调整高低保真模型设计变量间的映射关系,优化收敛更迅速.由于避免了反复的试验设计和模型分析,改进方法的计算效率远高于原方法.数值算例表明了该方法的稳定性,此方法可以大大减少应用序列响应面进行优化或可靠性评价的计算量.     

响应面优化算法在被动式低能耗建筑设计中的应用

被动式低能耗建筑设计过程计算量大,涉及变量多,不同变量间关系错综复杂,传统方法无法获取复杂变量的最优解集,不能保证被动式低能耗建筑设计不同目标函数达到最优。为此,将响应面优化算法应用于被动式低能耗建筑设计中。将最大化舒适度、最小化耗能率作为被动式低能耗建筑设计的目标函数。通过拉丁超立方实验设计方法,获取被动式低能耗建筑设计优化问题的设计空间;在设计空间中随机抽样。在此基础上,通过最小二乘法拟合建立响应面模型。利用遗传方法对拟合响应面模型进行改进和更新处理,直至达到收敛,保证被动式低能耗建筑设计达到低能耗率、高舒适性的目的。实验结果表明,响应面拟合准确性高,将响应面优化算法应用于被动式低能耗建筑设计中,发现其能够有效降低能耗,提高舒适性,和其他方法相比有更好的优化结果。     

基于非支配排序遗传算法的塔机有限元模型修正

为了建立一个能准确反映结构实际状态的有限元模型,提出了一种基于非支配排序遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)的有限元模型修正方法.首先建立初始有限元模型,基于二次响应面法,得到有效的响应面替代模型,然后采用NSGA-Ⅱ对该模型进行修正,最终建立了满足工程精度要求的可靠的有限元模型.给出了某型塔机有限元模型修正的工程算例,将修正后的计算结果与实测数据相比较,说明了基于NSGA-Ⅱ多目标优化算法对于有限元模型修正具有理想的效果,修正后的有限元模型能准确反映结构力学特性.     

基于近似模型的重载仿生腿多目标优化

针对大型六足机器人在运动过程中腿部刚度不足和振动的问题，提出一种基于近似模型的多目标综合优化方法. 建立有限元模型，分析各类复杂工况下腿部结构强度、刚度 和模态频率等性能，确定仿生腿的优化空间. 对仿生腿静态及动态性能建立参数化模型，定义相应的设计变量，采用优化拉丁超立方方法分别对仿生腿基节、大腿和小腿模块进行试验设计，获取初始样本点，拟合各模块响应面模型、克里格模型和径向基函数神经网络模型，通过误差分析选定精度最高的近似模型，并联合第二代非支配排序遗传算法，以静态刚度、质量和首阶固有频率为目标，约束最大应力，对仿生腿进行优化设计，对优化后的结果进行分析验证. 结果表明，重载仿生腿经所述方法优化后，在满足结构强度的前提下，平地工况最大变形下降9.73％，斜坡工况最大变形下降9.46％，首阶固有频率提升3.45％，仿生腿总体质量下降8.63％.     

空问映射与响应面法相结合的改进优化算法

在空间映射与响应面法相结合的基础上修改了序列响应面的程序流程，从而改变了应用响应面方法优化时的迭代本质。改进方法无须每次迭代重新拟合低保真模型响应面，只在第一次迭代拟合响应面，在此基础上调整高低保真模型设计变量间的映射关系，优化收敛更迅速。由于避免了反复的试验设计和模型分析，改进方法的计算效率远高于原方法。数值算例表明了该方法的稳定性，此方法可以大大减少应用序列响应面进行优化或可靠性评价的计算量。     

基于响应面试验设计的湿式离合器优化策略

为提高湿式离合器的可靠性,建立以6个出油管孔径为设计变量的参数化有限元模型,基于计算流体力学理论,进行热流耦合动态仿真分析,根据湿式离合器热流场分布特性,设计优化策略。剖析中心组合设计方法的采样原理,推导析因系数、样本点数、因子水平及各水平对应试验次数的计算公式,并应用于湿式离合器的响应面试验设计中,采用单因素仿真试验分析方法确定离合器片轴向最小位移为目标变量,进一步编排试验点安排表。基于最小二乘法拟合得到响应面模型,采用不同工具进行优化分析,获得了湿式离合器的3套优化方案。结果表明:在最佳优化方案中,离合器片轴向最小位移增大了38.472%,其预测值与实际仿真值误差为7.291%,最薄油层厚度增大了18.828%。     

基于克里金元模型的离心泵水力性能多目标优化

提出了拉丁超立方抽样、CFD数值模拟和克里金插值等方法,以离心泵叶轮轴面形状参数为设计变量,离心泵性能参数效率和必须汽蚀余量为优化目标,构建设计变量与优化目标之间的函数关系.并选取测试点进行CFD仿真,检验建立的近似模型预测精度,结果表明克里金预测值和CFD仿真值相符合.采用二代非劣分类遗传算法(NSGA II)在设计域上求解离心泵性能多目标优化问题,并得出其Pareto最优解集.采用映射法从最优解集中挑选出一个折中解,试制出与设计变量相对应的样机泵,并进行试验验证.试验结果表明克里金预测值和试验测试值比较一致.     

基于改进响应面法的在役PC桥梁承载力可靠性

提出改进响应面法研究在役PC桥梁承载力可靠性问题。利用神经网络模型拟合功能函数,采用JC法计算出桥梁结构构件的可靠指标,并进行了可靠性分析。工程实例分析表明：该方法建立的神经网络模型能够显示化表示复杂的桥梁承载力功能函数;随着使用年限的增长,桥梁上部结构的可靠指标计算值逐渐减小,说明上部结构抗力出现衰减;应用改进响应面法对在役PC桥梁承载力的可靠性计算是可行的。     

复杂机械装配体的响应面优化设计方法

针对复杂机械装配体优化过程中的隐性目标函数问题,提出了基于统计学理论的响应面优化设计方法,并以齿轮驱动涡扇发动机(GTF)减速器结构系统的优化设计为案例,详细阐述了该方法的主要思想与基本过程。使用Python语言在Abaqus平台上开发了该系统参数化的有限元分析(FEA)程序,以自动实现前、后处理及求解等全过程;采用两水平全因子正交试验设计方法对主要的结构参数进行析因设计,确定了参与优化的设计变量;采用优化的拉丁超立方抽样方法并调用参数化的FEA程序,求得了对应结构系统上的最大von Mises等效应力,并以该应力为目标函数建立了响应面优化模型。优化后的系统满足强度条件,且整体刚度较优化前提高了7.13%,最大von Mises等效应力和最大接触应力分别降低了12.15%和18.99%,有效提高了该结构系统的工作性能。将数值最优解反代入有限元模型中再次建模求解,所得结果验证了该响应面模型的正确性。案例分析及验证结果表明,本文方法在工程应用方面具有一定的普适性及优越性,能为更多的隐性优化问题提供设计参考及解决方案。