工程结构优化设计概述合集12篇

时间：2023-08-07 09:24:41

工程结构优化设计概述

工程结构优化设计概述篇1

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

现有的大跨度桥梁结构优化理论, 不论是整体优化还是局部优化, 都是以容许应力法为基础建立起来的。随着现代设计理论的发展, 即由传统的容许应力设计法到基于可靠度理论的半概率设计法、近似概率设计法、全概率设计法等的发展，工程师认识到结构优化时不能忽略各种因素以及设计理论的不确定性，结构优化找到了新的发展契机，朝着基于可靠度的结构优化设计方向前进。

基于可靠度的结构优化设计发展

一个好的设计方案应当使结构在设计基准期内以最经济的途径来满足其功能要求。结构安全的含义从概率意义上理解才更符合实际，人们基于这一思想寻求结构最优解的合理方法，就是基于可靠度的结构优化方法。基于可靠度的结构优化方法是结构可靠度分析和优化设计两种技术的综合。

事实上, 由于优化和可靠度概念的本质联系, 基于可靠度结构优化设计几乎和可靠度的概念同时出现。早在1924 年, Forsell就开始了基于可靠度结构优化设计的研究。其发展过程可分为两个阶段: 以元件可靠度或以各失效模式的可靠度为约束条件的优化设计方法和以结构系统的失效概率为约束条件( 目标函数)的优化设计方法。

基于可靠度的结构优化设计特点

(1) 结构设计目标多样性；

(2) 结构约束多重性；

(3) 结构设计不确定性。

基于可靠度的结构优化水平划分

基于可靠度的桥梁结构优化水平，可以根据设计变量的特性分为四种：其一、设计变量为截而尺寸，即截而优化；其二、设计变量为截而尺寸和描述形状的几何尺寸即形状优化；其三、设计变量为结构特性参数、截而尺寸和描述形状的几何尺寸，即结构优化；其四、设计变量为材料参数、结构特性参数、截而尺寸和描述形状的几何尺寸，即总体优化。

基于可靠度的桥梁结构优化设计，一方面其在结构设计中引入概率论和数理统计原理，充分考虑设计参数的随机性和材料、施工质量的不确定性，使人们有可能利用可靠度或是失效概率，定量、科学地描述结构的安全可靠程度；另一方面，考虑以最低的费用消耗来达到规范所要求的技术指标，从而达到最佳经济效益。

基于可靠度的桥梁结构优化设计重点研究方向

(1)对符合桥梁结构特点并实用可行的优化模型的研究。对桥梁结构各构件的逻辑功能关系的研究。在结构体系可靠度理论中，较多较成熟的研究是关于“串联系统”的，因而，将桥梁结构划分为若干具有串联关系的单元（单元既可以是单个构件也可以是组合构件，并且这种组合可能出现并联、混合关系）可以简化问题，对桥梁可靠度优化设计具有十分重大的意义。

(2)对单元失效之间和失效模式之间的相关性问题研究。在结构优化设计中十分关键的一个环节就是关于可靠度的计算。这就需要合理的考虑单元（构件）失效之间的相关性和失效模式之间的相关性，从而避免重大误差的出现。研究对桥梁结构起控制作用的失效模式，以便在抓住主要矛盾的同时又简化问题。对桥梁结构（构件）造价和可靠度之间的函数关系表达式的研究，以及研究结构（构件）失效损失值的估计方法。

(3)对适用于桥梁结构可靠度分析和计算方法的研究。主要包括对结构构件和结构体系的可靠度计算。桥梁结构优化设计中对控制参数的选择，通常应该满足如下要求：

其一，具有高度的综合性质，能充分代表结构对构建的要求；

其二，借助这些参数可以建立各构件之间的横向约束关系；

其三，这些参数之间要有明确的关系。

在设计中，通常作为设计变量的是那些对结构起着重要作用、会直接影响结构性能的参数。而将那些变化范围不大、根据构造要求或是局部性的设计考虑能满足要求的参数作为预定参数来考虑，从而减少在设计、计算及编制程序过程中的工作量。虽然桥梁结构是由单个的构建组成的，但是在桥梁结构的优化设计中，应该从整体上考虑，以达到顾全大局优化结构的目的。但同时也需注意，单个桥梁构件的参数选取如果不当，也会影响整个桥梁的总体使用功能。

基于可靠度的桥梁结构优化模型

在优化设计的解决过程中最重要的一个步骤就是数学模型表示出优化设计问题。建立一个优化设计模型。主要包含定义设计变量、确定目标函数和构造约束函数这三个要素。设计变量包括构件材料的力学特性、构件尺寸、描述结构几何布置的参数和在设计过程中能够定量处理的各种量，它们的改变过程标志着设计方案的改变。而目标函数又可以称之为效益函数、费用函数，设计方案的优化过程就是找到这个函数的最小值，一个设计方案是否具有优越性就是以其作为标准来进行衡量的。设计必须满足的条件就是约束函数，一般是由设计规范或是规程规定或是设计者的特殊要求。约束函数可以是对一些变量的直接限制，也可以是这些变量无法直接表示的函数关系。

结构可靠性模型有随机变量可靠性模型、半随机过程可靠性模型和全随机过程可靠性模型。当作用效应S和抗力R的所有设计基本变量和均选用随机变量概率模型：

则结构的功能函数为

也为一随机变量，则称为随机变量可靠性模型，其不涉及时间参数t，为静态模型。

结构可靠概率的计算，一般有近似分析法，如FORM法（First Order Reliability Method）、FOSM法（First Order second Moment Method）SORM法（Second Order Reliability Method）;模拟法，如蒙特卡洛法（Monte Carlo Simulation）和响应面法（Response Surface Method）;数值积分法。

蒙特卡洛法也称为随机模拟法，其基本思想是通过建立一个概率模型或随机过程，使它的参数（数字特征）等于所求问题的解，然后对该模型或过程进行观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出近似解，近似精度可用估计值的误差来表示。

响应面法其原始意思是用一个合适的修匀函数即响应面，近似表达一个未知的函数。当系统的参数和系统的输出响应之间的关系以某种隐含的方式存在时，响应面法无疑提供了一种近似表达这种隐含关系的合适手段。

当前桥梁工程结构设计的主要发展趋势即是从确定性的设计方法向概率设计方法转变。将结构抗力、计入作用中实际存在的随机性以及主要依靠直观经验确定的安全系数，系统的转变为应用统计数学定量给出一定基准期内结构的失效概率和统一可比的可靠指标，这在桥梁结构设计的思想、概念和方法上都无疑是较大的突破。未来的研究将以系统可靠度为约束条件的结构优化方法探讨为主。基于可靠度的结构优化理论能描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素, 定量的分析计算安全与经济的各项指标并能很好地协调这两者之间的矛盾, 这是传统的定值设计法所做不到的。因此将其应用于桥梁结构的优化设计是一个值得研究的课题。而针对具体的大跨度桥梁结构, 怎样根据不同的实际情况, 选择实用可行的优化模型和求解方法, 还有待我们去研究。

工程结构优化设计概述篇2

本文在研究了基于本体的的概念设计知识模型的基础上,提出了基于本体的概念设计知识管理框架,研究了用户对本体的定义、对知识结构内容的自由扩充以及概念设计知识的检索方法等关键技术。

1、基于本体的概念设计知识建模

1.1　概念设计知识分类与表达

概念设计是对设计问题加以描述,并以方案的形式提出众多解的设计阶段.概念设计从不同的角度有多种定义.一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程,是一个由功能向结构的转换过程。

图1描述了一般概念设计的工作流程,它包含综合与评价两个基本过程。综合是指根据设计要求,运用各种分析、设计方法推理而生成的多个方案,是个发散过程；评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。概念设计是将所设计的产品看成一个系统,运用系统工程的方法去分析和设计。具体说,概念设计就是将设计对象的总功能分解成相互有机联系的若干功能单元,并以功能单元为子系统进行再次分解,生成更低一级的功能单元,经过这样逐层分解,直至对应的各个最末端功能单元能够找到一个可以实现的技术原理解。概念设计的主要任务是功能到结构的映射,概念设计过程主要包括：功能创新、功能分析和功能结构设计、工作原理解的搜索和确定、功能载体方案构思和决策。

根据概念设计的过程及人在设计时的认知特点将概念设计知识分为元知识和实例知识（其分类如图2所示）。元知识中主要包括功能知识、技术原理解知识、结构知识等。实例知识中主要包括方案设计实例、技术原理解实例、产品实例等知识。

（1）功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等；

（2）技术原理解知识。描述产品功能及功能子项的原理解答。它的表达要复杂些,一方面可用文字、数字表达它的说明、解答参数,另一方面,要有图形支持产品原理解答；

（3）结构知识。描述产品的结构设计状况,是对原理域知识的细化和扩充,是求解原理解的结构载体,可描述产品关键部分的形状、尺寸和参数。产品功能结构的映射（简称为功构映射）就是对产品的功能模型进行结构实现的求解,是将产品功能性的描述转化为能实现这些功能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。在这里功能是产品结构的抽象,是结构实现的目的；而结构则为实现某功能而选用的一组构件或元件。功能结构间的关系一般而言是多对多的映射关系。一个功能可能由一个或多个特征或元件实现,而一个特征或元件也可能完成一个或多个功能；

（4）实例知识。已成功或失败的设计范例,包括方案设计实例,产品结构知识实例、技术原理解实例等。它包含了更多的实际因素,是类比设计和基于实例推理设计的基础。

以工程机械中某型滑模式水泥摊铺机为例,总功能为摊铺水泥路面,总功能可细分为滑模作业、控制作业等功能,滑模作业功能又可细分为提水泥浆、挤压成型等功能。其中某个功能的实现可能会由几个结构组合而成,例如滑模式水泥摊铺机滑模作业功能就是由螺旋分料器、刮平板等几个结构一起才能实现。图3为该水泥摊铺机的功能层次定义和功能分解结构举例。该产品所对应的结构分解则如图4所示。图5中给出了对于滑模作业功能的技术原理解简图、技术原理解的评价、参考产品,以及实现该功能的说明等相关的知识。

如何利用计算机技术对概念设计予以支持,对概念设计知识进行有效的管理,至今仍没有较好的解决方法。目前的知识建模主要是专家系统,最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓词逻辑等。专家系统的知识建模主要侧重符号层的系统实现,很少考虑动态的,非结构化的知识,造成专家系统解决问题的局限性,使得专家系统不能解决大型复杂问题。

本体作为“对概念化显式的详细说明”[9,10],研究领域内的对象、概念和其他实体,以及它们之间的关系,可以很好地解决概念设计知识的表达、检索和重用等问题。采用本体描述概念设计知识可以支持细粒度的产品语义信息的描述,可以形式化地定义特定领域的知识,如概念、事实、规则等；支持语义层面的集成和共享,基于本体的知识定义可以对知识作普遍的、无歧义的语义解释,可以保证不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作。

1.2　本体建模过程描述

本体是某一领域的概念化描述,着意于在抽象层次提出描述客观世界的抽象模型,它包括两个基本的要素：概念和概念之间的关系。本体的构建必须满足以下的要求：对目标领域的清晰描述；概念或概念之间关系的明确定义；一般性和综合性原则。本体可以有多种表述方式,包括图形方式、语言形式和XML文档形式等。

基于本体的产品概念设计知识建模过程包括3个阶段：

（1）产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。

（2）产品概念设计知识本体分析与建立。根据需求分析,确定该领域的相关概念及概念属性,并用XML语言进行形式化描述。这个阶段是建立概念设计知识本体的关键环节,直接影响到整个本体的生成质量,同时也是工作量最大的阶段。

（3）产品概念设计知识本体评价。对所创建的本体进行一致性及完备性评价。一致性是指术语之间的关系逻辑上应保持一致；完备性是指本体中概念及关系应是完善的。我们称该3阶段的组合为产品概念设计知识本体建模的一个生命周期（见图6）。

1.3　概念设计知识的本体表示

在此我们以工程机械中滑模式水泥摊铺机为例,结合图3～图5中的实际知识,从概念实体、概念属性及概念间关系等方面来说明产品知识、功能知识、技术原理解知识、技术原理解实例等概念设计知识的本体表示,通过概念蕴涵、属性关联、相互约束和公理定义等方法揭示了概念间的本质联系,形成一个语义关系清晰的产品概念设计知识模型。建模采用目前最新的OWL语言描述。

表述的语义为一个滑模式水泥摊铺机继承了一个产品的所有属性,此外还具备了关系属性：摊铺能力,同时,又对属性摊铺能力作了限制：只能应用于滑模式水泥摊铺机领域,且取值变化只能在摊铺宽度中（省略了关于滑模式水泥摊铺机类似属性的定义,如摊铺厚度和摊铺速度等）。

（3）功能知识类

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表述的语义为一个功能知识只有一个功能名称,且最少具有一个相关产品（省略了功能知识类似属性的定义,如功能编号、功能说明、创建人、创建时间、存储位置等）。

（4）功能技术原理解类

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表述的语义为一个功能技术原理解具有对应的功能名称,相关的技术原理解简图（省略了技术原理解类似属性的定义,如评价、参考产品、创建人、创建时间、存储位置等）。

上述描述中,使用类公理（subclassof）描述了两个类（概念）之间的继承关系,如滑模式水泥摊铺机类是产品类的子类。在描述类属性时,使用关系属性（objectproperty）描述了类的某个属性同时也表示了两个类之间的某种关系,如摊铺能力既是滑模式水泥摊铺机类的一个属性,同时也表达了和摊铺宽度类之间的对应关系。另外,使用属性公理domain和range表示属性的应用领域和属性的取值范围,如属性摊铺能力只能用于滑模式水泥摊铺机类,且它的取值只能是摊铺宽度数据集。

1.4　基于本体的概念设计知识管理的特点和优势

基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势：

（1）支持用户定制知识类别。产品概念设计过程中,需要运用多种类型的知识,如：功能类、功能技术原理方案解类等。这些知识的描述和使用有着不同的特点,不能用相同的描述框架来处理。基于本体的设计知识建模允许用户对设计中知识类别加以定制,针对每一类别定义其描述属性,从而较好的解决了概念设计中多来源多类型知识的表示问题。

（2）支持概念共享的知识库构建。概念设计知识本体的构造澄清了概念设计领域知识的结构,为概念设计知识的表示打好了基础,而本体中统一的术语和概念也使概念设计知识更好地共享成为可能。基于本体的概念设计知识表示在区分不同知识类别的同时,建立起概念间的共享联系。通过概念间的共享机制,避免了设计知识库的数据冗余和数据不一致问题,方便了知识的建模录入、检索及统计处理。

（3）多视图和基于本体概念的知识检索。在目前的应用系统中一般采用基于关键字的数据库查询方法,由于其数据库组织不是建立在能够表示概念之间的关系、事实和实例的领域模型的基础上,因此无法实现智能查询和信息推理,也就无法解决语义异构性问题。由于不同的组织和人员可能使用不同的词语表示同一个含义,因此查询系统得不到意义相同但用词（语法）不同的内容。当需要对多个数据源进行查询的时候问题更为明显,多意词和同义词会使查询得到许多不相关的信息,而忽略另外一些重要信息。

在基于本体的概念设计知识管理中由于具有统一的术语和概念,知识库建立在本体的基础上,使得基于知识的设计意图匹配成为可能。采用基于知识、语义上的检索匹配,对用户的检索请求,通过查询转换器按照本体把各种检索请求转换成对应的概念,在本体的帮助下从知识库中匹配出符合条件的数据集合,解决了语义异构的问题。

从人在设计时的认知特点出发,可以采用基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,还可以利用本体中已定义的概念定义其它知识检索视图,比如需求功能知识检索视图、软件工具使用知识检索视图等,实现基于知识检索的设计意图的匹配。

2、基于本体的概念设计知识管理

2.1　概念设计知识管理系统结构

结合工程机械行业的实际,本文提出了图7所示的基于本体的产品概念设计知识管理系统结构,系统按照知识产生、获取和利用的流程来构建,系统结构主要包括概念设计知识管理工具、数据接口程序以及基于本体的概念设计知识库,具体由4个部分构成。

（1）概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。

（2）概念设计知识维护。主要包括从概念设计知识本体维护、本体关系维护、知识库重新生成到概念设计知识维护的过程,实现对本体的属性修改,各类知识之间的关系维护,以及知识库的更新等。

（3）概念设计知识检索重用。系统中提供基于多视图的知识检索方式,如基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,及用户定义的其它知识检索视图。此外系统提供基于本体概念的知识检索方式,通过本体映射库,可以实现同义词的检索,保证可能会采用不同的概念和术语表示相同的设计信息的人可以得到相同的知识帮助。

（4）概念设计知识库的构建。要实现基于本体的,支持客户自定义的概念设计知识管理,系统必须由足够的柔性,支持各类知识的存储,作为系统基石的知识库的构建就不能采用完全预先定义的方式,在系统中我们采用基础数据库加上在此基础上经过本体定义工具动态生成的各类知识库的方法保证基于本体的知识管理的实现。

工程结构优化设计概述篇3

1、基于本体的概念设计知识建模

1.1　概念设计知识分类与表达

概念设计是对设计问题加以描述,并以方案的形式提出众多解的设计阶段[7].概念设计从不同的角度有多种定义[8].一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程,是一个由功能向结构的转换过程。

（1）功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等；

1.2　本体建模过程描述

基于本体的产品概念设计知识建模过程包括3个阶段：

（1）产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。

1.3　概念设计知识的本体表示

（3）功能知识类

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（4）功能技术原理解类

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1.4　基于本体的概念设计知识管理的特点和优势

基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势：

2、基于本体的概念设计知识管理

2.1　概念设计知识管理系统结构

（1）概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。

工程结构优化设计概述篇4

1、基于本体的概念设计知识建模

1.1　概念设计知识分类与表达

（1）功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等；

1.2　本体建模过程描述

本体是某一领域的概念化描述,着意于在抽象层次提出描述客观世界的抽象模型,它包括两个基本的要素：概念和概念之间的关系。本体的构建必须满足以下的要求：对目标领域的清晰描述；概念或概念之间关系的明确定义；一般性和综合性原则。本体可以有多种表述方式,包括图形方式、语言形式和xml文档形式等。

基于本体的产品概念设计知识建模过程包括3个阶段：

（1）产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。

（2）产品概念设计知识本体分析与建立。根据需求分析,确定该领域的相关概念及概念属性,并用xml语言进行形式化描述。这个阶段是建立概念设计知识本体的关键环节,直接影响到整个本体的生成质量,同时也是工作量最大的阶段。

1.3　概念设计知识的本体表示

（3）功能知识类

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1.4　基于本体的概念设计知识管理的特点和优势

基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势：

2、基于本体的概念设计知识管理

2.1　概念设计知识管理系统结构

（1）概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。

工程结构优化设计概述篇5

中图分类号：U463.82 文献标志码：A

Fast Calculation for Stiffness Chain of Vehicle-body

Structure Based on Parameters of Main Section

LIU Zijian，RAO Junwei，LIU Yu，QIN Huan

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan University， Changsha 410082， China）

Abstract：The fast calculation of stiffness chain model by directly using the parameters of real main section is the key problem which should be solved in the design of vehicle-body stiffness chain. Taking the control and engineering on the parameters of stiffness chain nodes as the target， this paper evaluated the relationship between the parameters of stiffness chain nodes and the parameters of main section property. Furthermore， the parameterized method of controlling the real shape of the main section was studied by using the polar coordinate method and computing method of complex section properties that considers single variable control theory based on an established and improved computing model for static stiffness chain of vehicle body. It achieves the targets of parameterized calculation for the stiffness chain nodes and the engineering for the parameters in stiffness chain model， which provides a foundation for the investigation on the optimal distribution of static stiffness based on real main section structure and shape. Finally， the proposed method was verified by a numerical example of a light-weight of vehicle body.

Key words：static stiffness chain of vehicle-body structure； main section； parameterization； stiffness optimum distribution

汽车正向开发流程的车身工程设计阶段分为概念设计和详细设计.概念设计是车身结构设计的前期阶段，任务是为详细设计提供结构可行的方案.车身的整体结构及性能都取决于概念设计的结果，一旦留下设计缺陷，在后续流程中将难以弥补.现代轿车的车身一般采用承载式结构，车身需抵御汽车行驶的复杂载荷，因此，车身的刚度性能尤为重要.车身主断面是分布在车身各个重要位置，用以描述车身结构细节的横截面，它既是控制车身结构和性能的关键点，也是描述车身结构概念设计方案的重要工具.车身主断面的形状及尺寸是影响车身刚度性能的重要因素，因此，主断面设计是车身结构概念设计的重要内容.国内外学术界和工业界对汽车车身结构概念设计方法和车身刚度性能的研究高度重视.如本田汽车公司的Fujii等人[1]研究了基于拓扑优化技术的车身概念设计方法；福特汽车公司的工程师研究了一种基于重要零部件刚度性能的车身框架结构，建立了车身概念模型，并详细与有限元模型的静刚度和动刚度进行了分析对比，评估了概念设计模型的可靠性[2-3]；常伟波等人[4]提出了正面碰撞性能主导的轿车车身正向概念O计流程和方法；侯文彬等人[5]针对客车车身概念设计的特点，开发了客车车身结构概念设计与优化系统，等等.上述研究针对车身结构概念设计的某些具体问题提出了解决方法，然而，关于主断面优化与性能主导的正向概念设计方法关系的讨论还不多见.

本文在建立和完善轿车车身刚度链计算模型的基础上，以刚度链节点参数可控和工程化为目标，建立了节点参数与主断面截面属性参数的对应关系，研究了截面形状控制的参数化方法和对应的截面属性计算方法，提出了基于真实主断面结构形状的白车身刚度优化分配方法.论文最后以一个车身轻量化优化计算的实例，验证了以静刚度性能为主导的车身结构正向概念设计刚度链方法的可行性.

1 车身刚度链建模

由车身的结构形式、材料特性、动静载荷所决定的车身整体刚度及其各部分刚度的作用关系，称为车身结构刚度链[6].车身刚度链以主断面、接头等为节点沿载荷传递路径分布，准确描述结构与材料、载荷与变形，以及节点之间的相互关系.依据刚度链概念，可以将车身结构分解成为多个子系统，每个子系统对应于一个子刚度链，形成树状层次结构的完整车身刚度链，如图1所示.如轿车车身总体上可分为横梁系统、左侧围系统、右侧围系统和底板系统等.依据构成关系和设计要求，以两前车轮轴中心点为原点，X轴水平向后，Z轴垂直向上建立整车设计坐标系S0.进一步建立梁单元表示的车身结构简化几何模型，确定主断面的数量和位置，按照构成关系对节点编号，获得某车型1/2车身的具有18个主断面的车身刚度链几何模型如图2所示.利用对称性，不难得到整个车身的刚度链几何模型.

以如图3所示的车身弯曲工况[7]为例，讨论图2所示刚度链的静刚度分析模型.按照车身刚度测试规范，在车身后悬架位置处约束X，Y，Z方向的平动自由度，前悬架位置处约束Y，Z方向的平动自由度，在座椅安装点左右对称施加垂直向下的力F=1 000 N，车身整体的弯曲刚度由车身底架处最大垂直挠度来评价.

首先讨论车身侧围刚度链分析模型.左侧围的受力及单元划分情况如图4所示，其中0，1，2，…，15为多个梁单元相交的节点；①，②，…，B17为主断面所在处的梁单元；共有16个节点和17个单元，添加约束和外载荷如图4所示.

侧围刚度链的组成单元及其所对应的主断面编号如表1所示.依据表1中主断面与单元的对应关系，设与某一主断面对应的组成单元具有相同的截面属性，可以将17个单元的横截面特性用9个截面属性集合来描述，即主断面属性，记为C（i）={A Iy Iz}（i），其中i为主断面编号，取值分别为1，4，5，8，9，10，12，13和15，与图2中主断面编号一致；A为主断面面积；Iy，Iz为主断面惯性矩.

以图5（a）所示的子刚度链1为例讨论刚度链计算模型.子刚度链1主要是由前纵梁、门槛梁以及后地板纵梁组合而成，为了真实地模拟刚度链1的受力情况，在节点0和节点7处添加铰链约束，将整体视为一个简支连续梁结构，且各个组成单元可以具有不同的截面属性.在节点2处添加竖直向下的集中载荷F，在耦合点1，3，6处添加未知状态向量，故可以推导出节点0和节点7的状态向量，以及节点1-6的载荷向量.

对连续梁结构求解状态向量时，可以利用传递矩阵法[8-9]建立数学模型.子刚度链1所对应的连续梁结构，可以离散成7个单元，单元编号依次为①，②，…，⑦，其中单元①的抗拉刚度、抗弯刚度、抗剪切刚度分别为EA（1），EI（1），GA（1）/μ（下标为单元对应的主断面编号，下同）；单元②，③，④的抗拉刚度、抗弯刚度、抗剪切刚度分别为EA（10），EI（10），GA（10）/μ；单元⑤，⑥，⑦的抗拉刚度、抗弯刚度、抗剪切刚度分别为EA（12），EI（12），GA（12）/μ；单元长度依次为l（1），l（2），…，l（7）.如图6所示.

根据传递矩阵法可求出最右端状态向量Sr（7）和最左端状态向量Sl（1）的递推关系如下：

Sr7=T7Sl7

Sl7=F6Sr6

Sr6=T6Sl6

Sl6=F5Sr5

Sr2=T2Sl2

Sl2=F1Sr1

Sr1=T1Sl1 （1）

式中：T（i）为单元i的场矩阵；F（i）为节点i的载荷向量.如：节点0处为铰接约束，只有径向约束剪力Ql以及平面内的转角φl，节点0的状态向量为Sl（1）={0，Ql，0，0，0，φl}T（1）；在节点2处只承受有垂直向下集中载荷F，节点2处的载荷向量为F2={0，F，0，0，0，0}T（2），等等.

将方程组（1）从下往上迭代，可确定最右端节点状态向量Sr（7）和最左端节点状态向量Sl（1）的关系式，即传递方程：

Sr7=[∏6i=1（T8-i×F7-i）]×

T1×Sl1（2）

除单元⑤和单元⑥之外，其他单元的局部坐标系均与整车设计坐标系S0平行，它们的场矩阵T（i）表达式为：

Ti=

1000000100000li1000-liEAi001000-l3i6EIi-μliGAil2i2EIi01li0-l2i2EIi-liEIi001 i≠5，6 （3）

卧⑤和⑥的局部坐标系与整车设计坐标系S0之间存在一个夹角，通过坐标变换有：

Tk=λ-1kkλk（4）

式中：T（k）为单元k在S0坐标系中的场矩阵；（k）为单元k在局部坐标系Sk中的场矩阵.

对图5中的子刚度链2和子刚度链3也可以进行类似的讨论.

设节点2处在集中载荷F作用下竖直向下变形量Δz为基本未知量，利用静平衡条件和传递方程（2）可以求得子刚度链1的弯曲变形量Δz与各主断面截面属性集合C（i）的关系表达式：

f1C1，C10，C12，Δz=0（5）

子刚度链1与子刚度链2在节点1和节点6处耦合，建立两者的耦合方程：

Sl（2）-Sl（8）=0

Sl（7）-Sl（15）=0 （6）

同理，可得出子刚度链2和子刚度链3的数学模型及子刚度链间的耦合方程.将上述3个子刚度链数学模型简单记为f1，f2和f3，耦合方程分别记为Q1（2），Q1（3）和Q2（3）.

由上述讨论可得如下方程：

f1=0

f2=0

f3=0

Q1（2）=0

Q1（3）=0

Q2（3）=0（7）

方程组（7）即为车身左侧围的静态刚度链数学模型，记为F1，同理可得车身右侧围和9个横梁的刚度链模型，分别记为F2，F3，F4，…，F11.子系统刚度链i与子系统刚度链j的耦合方程记为Gi（j），则车身整体刚度链模型为：

F1，F2，…，F11T=0

G1（3），G1（4），…，G1（11），G2（3），

G2（4），…，G2（11）T=0 （8）

根据方程组（8）可以求得节点2竖直向下的变形量Δz与各主断面属性C（i）之间的函数关系式：

Δz=f（C1，C2，…，C18）（9）

式中：变形量Δz由18个主断面的截面属性集合（即54个变量）表示，如果直接对这些参数进行优化，将会遇到优化变量太多且优化出来的数据无法对主断面具体形状进行描述等问题.因此，有必要对主断面形状参数化和截面属性计算方法进行研究.

2 主断面属性计算及形状参数化方法

车身主断面是由若干钣金件焊接而成的形状复杂的封闭截面，图7（a）所示为某车门槛梁主断面实物图.由于主断面的形状、面积、惯性矩等截面属性是决定车身刚度、强度、加工工艺性等的关键因素，因此，准确求取各种形状主断面的截面属性，并根据车身性能设计要求优化匹配多个主断面的属性参数，是实现车身优化设计必须解决的关键问题.现有的处理方法是将主断面简化成为矩形或圆形等简单形状进行计算[10]，求解结果与实际情况差距较大.由式（8）所示刚度链计算模型和车身弯曲变形计算公式（9）可知，只要建立车身实际主断面形状属性参数的计算方法，就可以利用刚度链方法对实际车身结构进行分析优化，大幅提高设计质量，具有重要意义.

2.1 主断面属性参数计算

基于真实主断面形状的截面参数计算仍需要进行少量简化，简化原则如下：

1）忽略加工工艺要求的小结构，如小圆角、小倒角等，将其简化为一个点；

2）曲率不大的曲线段，在尊重原断面形状的前提下，用直线代替.

如图7（b）所示为简化后的门槛梁主断面形状，它是由多条直线段经结点连接而成的封闭图形.

设主断面由n条直线连接构成，将其分成n个区段.设第i个区段的长度为Li，板厚为ti，如图8所示（图中数字表示结点编号），则由弗拉索夫薄壁杆件理论[11]可推导出用分段法求取主断面实体部分面积和惯性矩的计算公式如式（10），（11）和（12）所示.

2.2 主断面形状参数化方法

车身主断面由外板、内板和加强板组成.主断面形状不仅取决于刚度、强度、工艺、碰撞安全等车身性能的需求，而且与整车外观造型、总布置和内饰设计密切相关，在车身结构设计中经常变化.针对2.1节讨论的主断面属性参数计算公式，进一步研究一种简单有效的主断面形状参数化生成方法，是利用刚度链模型进行车身刚度优化设计必不可少的重要环节.

文献[12]提出了一种基于极坐标的截面形状计算公式如式（13）所示.

r′i=（π-dv-δik×π+1）ri （13）

式中：（ri，δi）（δi的单位为弧度）为截面实体部分上点的极坐标；k为形状变化程度控制系数，通常可取k=2；dv（dv∈（0，2π））为极坐标控制参数.下面讨论利用式（13）实现主断面形状控制的方法.设已知图8所示主断面，以截面参考坐标系原点o为极点，z轴正方向为极轴，建立极坐标系，如图9所示，则可计算出该主断面所有结点的极坐标值（ri，δi）.在此基础上，对应于一个给定的dv值，由式（13）计算出一组新结点的极坐标值（r′i，δi），依次连接这些新结点，即可获得与原截面形状类似的新截面.当dv-δi>π时，计算点的极径ri将减小，反之将增大，从而对截面形状进行连续的控制，极径ri的变化程度取决于dv和k的取值.

利用式（13）控制图8所示主断面形状时须特别注意外板的处理.图8中结点1至结点8表示的车身外板部分的形状是车身设计流程已经冻结的A级面确定的，不允许进行修改，故形状参数化设计的主要对象是内板和加强板.另外，在确定参数化结点和参数变化区间时还需考虑冲压工艺和装配要求等因素，如防止出现冲压负角等.图9为针对结点9，10，14，15，16，17应用式（13）控制门槛梁主断面形状变化的情况，此时dv的取值为1.5，k的取值为2.

2.3 dv控制的主断面属性计算

下面继续以门槛梁为例介绍基于形状控制参数dv的主断面属性计算步骤.

第一步是⒚偶髁涸始主断面的结点坐标转换为极坐标.其二是确定k值，并给定一个dv值，代入式（13），逐个计算出变形后新主断面各结点的极坐标值.其三是将新结点的极坐标值换算成为oxyz坐标系下的直角坐标值.最后利用式（10），式（11）和式（12）计算新主断面属性值.表2为设计变量dv分别取1.1，1.2，1.3，1.4，1.5时计算所得门槛梁主断面属性值.

上述直接利用式（10）至式（12）计算截面属性的方法不仅步骤较多，需频繁地进行坐标换算，而且是逐点求解，计算效率难以提高.为了适应主断面优化设计中高效迭代求精计算的需求，依据表2数据拟合只有一个变量dv的门槛梁主断面属性近似计算公式：

A=106.4×dv+289.7 （14）

Iyy=62 640×dv2+ 87 800×dv+82 140 （15）

Izz=11 900×dv2-7 236×dv+13 680 （16）

同理，利用上述方法可以拟合出其他主断面属性关于形状控制参数dv的函数关系，在此不再一一赘述.

可以通过对比分析验证所拟合公式的准确性.如将公式（11）计算出来的Iyy精确值与公式（15）计算出来的Iyy拟合值进行对比，分析结果如表3所示.

结果表明拟合计算的最大的误差为3%.同样可以对A和Izz进行类似的计算误差分析，可以认为拟合公式具有较好的计算精度.调整和优化dv的取值方式还可以进一步减少计算误差.

上述方法可将车身的某一主断面形状由一个参数dv来控制，并且主断面的所有截面属性均是关于dv的函数，因此在进行主断面属性参数优化匹配时，每个主断面只需对一个参数进行优化，在大大减少优化计算难度，提高优化效率的同时，可以直接获得与工程设计要求吻合度很高的主断面，从而为车身设计精度提供保障.

3 主断面驱动的车身刚度优化分配

下面将主断面形状和截面属性的参数化设计方法与车身刚度链计算模型相结合，进一步研究基于刚度链方法的车身结构优化设计问题，目的是实现主断面属性驱动的车身刚度优化分配.讨论弯曲工况下车身主断面的优化问题.选取的设计变量为18个主断面属性参数：

X=[X1，X2，…，X18]T（17）

式中：

Xi={dv（i），t（i）}T （18）

式中：dv（i）（dv（i）∈（0，2π））和t（i）为第i个主断面的截面属性参数，dv（i）的初值设为1.为了减少计算量，取相同板厚t（i）=0.8 mm，所以需要进行优化的设计变量共有18个.

考虑车身的弯曲工况和设计要求，在节点2处添加竖直向下的载荷F=1 000 N，约束条件为加载处竖直向下位移Δz≤1 mm，由式（9）有：

Δz=f（C1，C2，…，C18）≤1 mm （19）

车身的整体刚度表达式为：

k弯=2F/Δz （20）

在满足车身弯曲刚度的条件下须使车身的质量最小，因此建立车身轻量化设计的目标函数为：

min f（m）=ρ∑18i=1（A（i）l（i））（21）

式中：A（i）为第i根梁的截面面积，其值是关于dv（i）的函数；ρ为已知的材料密度；l（i）为第i根梁的结构长度，其值可以通过车身简化几何模型（图2）得到.

由上述设计变量、目标函数和约束条件决定的优化计算模型得：

X=[X1，X2，…，X18]T

min f（m）=ρ∑18i=1（A（i）l（i））

s.t. 0≤Δz≤1 mm （22）

求解式（22）时，首先根据产品研发要求和设计经验确定一组原始主断面，编写刚度链计算和各主断面属性拟合的MATLAB程序，并调用适当的优化计算模块完成优化计算.表4是采用遗传算法[13]，经过160步迭代使目标函数收敛后求得的车身侧围主断面形状控制参数dv的优化结果（其他主断面的优化结果不再一一列出），此时，在满足弯曲刚度约束条件下，白车身的最轻质量为0.212 5 T，弯曲刚度为3 260 N/mm.

根据得到的dv优化值进一步计算各主断面的结点坐标，利用拟合公式计算优化后截面属性，如表5所示.图10为门槛梁主断面形状优化前后的对比图，其中实线为优化前的主断面形状，虚线为优化后形状的变化部分.

为了验证刚度链设计方法的可行性，本文利用身详细有限元模型，加载弯曲工况后模型如图11所示，该模型包括461 942个单元、465 722个节点、17 925个焊点.将上述模型用刚度链方法优化所得主断面形状赋予有限元模型的相应部位，进行计算，并对两个模型计算所得的弯曲刚度和车身质量大小进行对比分析，结果如表6所示.

根据表6数据可得到刚度链设计方法计算出的弯曲刚度与修改后有限元模型计算出的弯曲刚度误差仅为1.3%，表明刚度链方法与传统有限元方法的误差在合理的范围内，将刚度链方法优化出来的主断面形状赋予有限元模型，修改后的有限元模型的弯曲刚度（3 218 N/mm）明显高于初始有限元模型（3 112 N/mm）且质量越轻（减少了1.4%）.

4 结论

本文依据车身结构刚度链构成关系，在分别建立各子刚度链和耦合方程的基础上，采用传递矩阵法建立了车身静刚度链计算模型，并明确了刚度链节点参数与主断面截面属性参数的对应关系；以真实主断面形状为对象，利用极坐标法建立了形状参数化控制方法，以及由单一变量dv控制的截面属性计算方法，并验证了计算方法的准确性；本文的研究实现了刚度链节点属性的参数化计算和刚度链模型计算对象的工程化，为基于真实主断面结构形状的车身刚度优化分配研究打下了基础.最后以一个车身轻量化优化计算实例验证了研究方法的可行性和优越性.

本文仅对弯曲工况下主断面进行了优化.如何结合刚度链方法综合考虑车身NVH、安全、工艺等多学科因素，完成车身所有主断面的优化设计，是值得深入研究的问题.

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工程结构优化设计概述篇6

1引言

在建筑结构设计中，概念设计具有重要的作用，早在1985年出版的由美国工程院士林同炎教授撰写的《结构概念和体系》一书，就为我们提供了结构概念设计的基础知识和一些实例，在过分依赖设计软件的今天，概念设计愈发不得到设计人员的重视，所以，笔者试着从以下几个方面阐述。

2建筑结构概念设计概述

建筑结构概念设计是指不经过数值计算，依据力学关系、震害关系、破坏关系等，结合实验所得结果提出的设计原则与方法。在概念设计中，需要综合考虑多方面因素，为方案的合理性、针对性、处理方式等提供切实可行的指导依据。具体来说，工程结构概念设计是基于结构概念设计理论展开的一系列运作，包括判断、推理、改良、决策等过程。

3建筑结构设计中概念设计的原则

3.1结构的简单性结构的简单性是指具有直接的、明确的传力途径结构，以便承受各种外在力量的重压和作用，这就要求在进行结构体系设计时，必须具备明确的计算简图，以便于内力和位移分析，最大程度限制薄弱部位的出现。3.2结构的整体性建筑结构类似于具备水平隔板功效、能够提供足够刚度与内力的楼盖，其能够聚集并将惯性力传递至各竖向抗侧力子结构，但这些子结构需要具备协同承受地震的作用，以发挥抗御地震等自然灾害的破坏作用。但如果竖向抗侧力子结构布置不均匀或是水平变形特征不同，就会使其无法有效协同工作，进而使得抗御效果大幅降低。3.3结构的规则性和均匀性建筑结构的规则性与均匀性能够有效避免薄弱子结构过早破坏、倒塌问题的发生，从而使得建筑物分布质量与结构刚度的分布协调，有利于整体结构抵抗自然灾害破坏作用的充分发挥，进而最大限度的避免承载力和传力途径的突变。3.4优化选型原则在建筑结构中，对于概念设计的运用，主要是对结构体系与结构布置的优化，其中，结构体系的优化主要是依据其基本构件特征与荷载实际情况等形成基本结构单元，然后通过集合形式构成主要的结构体系。结构布置的优化是指基础系统、柱墙竖向支撑系统、楼屋盖水平系统的设置。3.5合理受力原则一般情况下，在建筑结构概念设计过程中，通常需要对均匀受力、超静定受力体系、刚性连接、空间作用等进行充分的考虑，并且还要重视建筑结构宏观受力状态、直接受力状态以及主要受力状态的分析，以便运用力学原理来处理好受力分析问题。

4概念设计在建筑结构设计中的应用

4.1在建筑结构方案选择中的应用在建筑结构设计过程中，结构方案的选用具有十分重要的作用，并且还是整体建筑结构设计的核心内容，结构方案的重要性直接决定了结构方案选择的困难程度，所以，一旦建筑结构方案的选择上出现了问题，必将导致整体建筑结构设计严重错误的出现。通过概念设计的合理运用，并且充分发挥其自身应有的作用，可确保建筑结构方案选择的合理性与有效性。在进行建筑结构方案的选择时，应重视以下两方面内容：①在进行建筑结构方案的选择时，必须对建筑工程项目施工现场所有的相关影响要素进行充分的分析与全面的调查，例如建筑场地的一些地形条件、地质结构以及承载力状况，是概念设计整体性要求的主要体现。②在选用具体建筑结构设计方案时，应充分考虑用户的一些基本要求，是概念设计的主要特点与作用体现，且其还能够根据用户所提供的一些基本要求进行具体化设计，将其体现在建筑结构方案中，可有效提高建筑结构方案选择的准确性。4.2在基础设计中的应用在进行建筑结构基础设计类型的选择时，设计人员应当依据建筑物的具体结构形式及其所处的地理位置，在充分遵循概念设计基本原则的基础上进行合理的选用。4.3在建筑结构抗震设计中的应用对于建筑物抗震设计中概念设计的应用，应当结合建筑平面对建筑结构体系进行合理的布置，并且还要仔细分析建筑主体的结构体型和各个部分的基础体系之间的力学关系。此外，通过调整建筑物质心、平面形心及结构刚心间的距离，可使得这三者尽可能靠近，进而最大限度的减小结构体系的扭转力，增强整个结构的稳定性，提高结构的抗震能力，节约建筑工程造价。

5结语

综上所述，在建筑结构设计中，通过概念设计的合理应用，不仅能够有效提升建筑结构设计的主观能动性，还可在充分融合建筑设计人员想象力与个人经验的基础上，保证建筑结构设计的经济性、合理性、安全性。概念设计的思想被越来越多的结构工程师所接受，并在结构设计中发挥越来越大的作用。

参考文献

[1]张钧玛.在建筑结构设计中如何加强建筑结构的概念设计应用[J].城市建筑，2014（06）：53.

工程结构优化设计概述篇7

随着我国国民经济的不断发展，房屋建筑行业也随之发展起来。特别是在城市化建设发展下，我国建筑行业日趋兴旺。在现代城市化建筑工程中，施工设计、工程设计以及施工建筑原材料是整个建筑施工中重要的构成因素。建筑结构是否合理、美观都会对整个施工建筑实用性、安全性以及经济性将会带来一定影响。工程建筑概念设计的提出是工程设计人员凭借自身专业知识以及丰富社会实践经验提出的建筑设计方案。因此概念设计出的建筑物和周边的环境以及整个社会文化内涵更加融合。

一、概念设计概述

工程结构设计一师在工程建筑中运用概念设计进一步完成整体工程施工建筑的整体方案。在整个工程过程中，工程设计师积极调动自身专业知识以及实践经验对整个建筑结构布置、构件、选型以及细节进行详细的计算和分析。并对设计过程中出现的问题，结合建筑知识、力学知识以及自身的社会实践经验进行全方面的考虑，并得出可行性和有效解决问题的方案，最后得出一个符合实际和具有创新性！而看操作性的建筑设计。

随着现代化城市的建设和发展，人们的思维和理念越来越开阔，对建筑物结要求越来越高，已经不在是具有实用性，还要求具有一定的美观性"所以，在建筑施工企业为了更好的适应当今社会潮流需求，不断重视概念性设计，工程设计师不断接纳和采取这样的设计思维，因此概念设计被不断应用于建筑结构优化设计中。由于概念设计对工程设计师的要求很高，所以建筑设计师一定要具备较强的建筑方面知识以及过硬的专业知识的能力，特别是较强的力学原理架构知识，这样才会使建筑工程设计方案具有一定的可行性，确保建筑施工工程的安全。

二、概念设计在建筑结构优化设计中应用

（一）概念设计要遵守工程结构规律

建筑建筑结构中广泛的应用概念设计，一定要遵循建筑施工结构的顾虑，要充分的做好实用化和合理化。第一，建筑施工结构外形，套具备一定的规则性和对称性，刚度分布和质量分布要均匀，不要在局部位置出现过大刚性，或者是质量上出现不均匀的分布现象，否则将会造成房屋建筑物出现倒塌状况；第二，建筑物布局和结构是否合理，是否具有一定程度的抗震性，这些因素都是工程设计师进行概念设计必须要涉及和考虑的问题。建筑结构对称、简单、规则性，容易实现抗震的作用，但是在一定程度上不能够满足创新性的需求，立体、多面、错层以及凹凸的建筑结构创新性和艺术性较强，容易达到人们对建筑结构美观性的需求，但是美观性好的建筑缺乏一定的抗震能力。

（二）优选合理建筑结构施工设计方案

概念设计工程施工放那在实际建筑工程施工应用中要达到实用性、合理性以及经济性的目的，同时这还是概念设计的主要目标。所以，如何选择具有一定科学性、可行性的建筑结构形式和建筑结构体系在建筑工程施工设计方案中显得尤为重要。总体而言，施工结构设计方案中展现的抗震系统和建筑结构体系的整体布置等方面的进行详细的分析，同一个建筑结构单元中通常不要用其他结构的体系，并做到纵向和平面上具有一定的规则性。针对建筑结构施工条件、施工特点以及工程施工原材料供应等方面，工程设计师要进行综合、系统、全方面分析和研究，采用多种方案进行对比，最后做出合理有效建筑结构施工设计方案。

（三）概念设计中抗震能力设计

建筑施工工程抗震能力设计直接关系当人们生命安全和财产安全，所以建筑工程中抗震设计尤为重要，同时备受人们的重视和关注。但是由于建筑物整体结构设计会涉及到一些实际问题，例如土质、地势、周围环境以及气候等因素影响，因此在建筑工程中抗震设计复杂且因素较多。所以，大多数建筑结构中抗震设计并不是由计算机设计出来的，而是由工程设计师概念设计出来的。例如底部设置加强区这样的问题，不管是建筑工程构造钢筋配率要求问题还是边缘构建问题，都是要建筑工程设计师利用概念设计解决问题，工程设计师通过概念设计，补充计算机抗震设计模拟计算的不足之处，才能够最终确保建筑工程施工中抗震设计的安全性和合理性。建筑结构优化设计中抗震能力还涉及结构构件问题，只要建筑构件完好，建筑工程中抗震能力才会充分的发挥和进一步提高。所以，工程设计师在建筑物抗震结构设计的过程中，要利用概念设计进一步保证工程施工设计中每一种建筑构件的强度和刚度在一定程度中满足工程实际的抗震需求，确保建筑构件和构件之间紧密联系，保证工程施工安全。此外，由于当前我国工程施工建筑结构大多数采用的是多次超静定建筑结构，因此在工程施工优化设计中建筑物的抗震设计还需要进行几道抗震防线，防止在发生地震中建筑物由于构件容易发生破坏或者是扭曲现象进而降低了建筑物抗震的能力。

三、概念设计在建筑结构优化设计中应用的意义

（一）拓宽建筑结构设计思路

传统的建筑结构设计主要研究的是如何提高建筑结构抗力性，造成钢筋棍凝土等不断增高，配筋量不断变大，工程造价提高。我们以建筑抗震设计为实例，通常是按照初定硅等级和尺寸计算出建筑结构的刚度，并由建筑结构刚度计算出抗震力，最后进行钢筋配筋。合理的概念设计可以降低地震作用的效应，并在这样的情况下提高房屋建筑工程质量和安全性。概念设计被广泛应用在建筑结构优化设计中，被工程设计师接纳和采用，并在建筑结构优化设计中发挥着至关重要的作用。

（二）概念设计在建筑结构优化设计中具有实践意义

概念设计广泛应用，通常蕴含了所有的工程建筑结构设计中。在不确定的受力状况和因素中变化比较大的高层建筑设计、抗震设计以及基础实施设计中，概念设计应用突出和重要。

1、由于现行的建筑结构理论性设计和计算机设计存在着一定的不可计算性和缺点。为了进一步弥补计算理论的不足之处，或者是实现实际施工操作过程中建筑结构构件的设计，需要概念设计来满足建筑建筑结构的优化设计目的；

2、在工程施工方案设计阶段，初步实际不能依靠计算机来实现，这就需要工程设计师通过了解和掌握概念设计，优选造价低！效果好的设计方案"概念设计施工人员通常会片面的理解，认为主要是用在一些较大的原则上，例如结构布置、确定结构方案等。在实际工程施工设计中任何一个施工都离不开科学概念设计作为指导方向。

3、建筑结构设计的整体方案，建筑工程设计师要联系紧密，互相合作与探讨。经过相互之间的学识和经验的探讨，得出最优的设计方案。例如建筑物的抗震设计，这个问题在建筑工程中是比较复杂的，它需要考虑建筑物的多方面因素。

四、结语

综上所述，概念设计在建筑结构中占据着重要的作用，不仅是建筑结构设计中工程师设计的理念，还是衡量工程结构设计师专业技术水平的标准。本篇文章阐述概念设计在建筑结构优化设计中应用问题，提供参考。

参考文献：

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[2]徐萍，叶明峰.杭震概念设计在建筑结构设计中的应用[J]..江苏建材，2011年02期.

工程结构优化设计概述篇8

一、引言

针对建筑进行评价的指标比较多，同样的，针对建筑性能评价的指标也多种多样。一般的来讲合格的、高质量的建筑，外观应当是美观且大气，同时整个房屋建筑的基本结构完整、质量上乘，所使用的材料也相当考究。针对房屋结构设计的质量好坏、水平高低进行评价，对于整个建筑功能性的发挥以及整个建筑的后期使用均有着巨大的意义。所以，有必要针对房屋建筑的结构设计理念进行分析，对传统的设计理论进行优化和改良，以现代化的审美标准来提高房屋结构设计的水准，促进我国建筑事业和相关设计行业的不断发展。

二、建筑结构设计优化的基本理论

房屋结构设计，是一项技术含量很高的专业性活动。设计人员在进行具体房屋结构的设计时，应当兼顾建筑物的各种性能指标，包括使用价值指标、美学价值指标等。建筑物的功能价值，指的是建筑物作为人们的日常住所必须具有的遮挡风雨、抗温度变化等基本功能；建筑物的审美价值，指的是建筑物的外形要美观、结构搭配要协调，从而给人以美的享受。设计者不仅要考虑到房屋的基本性能，还要考虑到房屋的结构搭配以及美学价值的大小。在这样的设计理念指引下，设计者就要从拟定的多种方案中选择一种最佳方案，以实现房屋结构设计的综合目标。我们可以将这个方案筛选过程用科学化方式加以表达，运用建筑学和相关的数学知识，在许多种设计方案中，选择一种与设计目标最相符的、最能体现居住着需要的设计方案。

建筑结构设计优化，指的是在设计建筑结构时，要改革设计理念，应用科学、先进的设计方案筛选方式，选择出在各方面都能达到最佳效果的设计方法。建筑物内部的结构十分复杂，要将建筑物的各个部分完美组合在一起，使建筑物发挥最佳的功能，并不是一件容易的事情。建筑结构设计优化，具体包括建筑区中各个部分结构设计的优化，以及建筑物整体设计结构的优化。在这两个部分中，建筑区整体结构的优化显得更为重要，因为整体是各个部分的综合，在完善房屋高性能方面发挥着更大的作用。具体来说，建筑物整体结构的优化包括房屋顶部设计的优化、房屋设计的优化，以及房屋细节结构设计的优化。在这三个大部分中，还可以细分出型号选择、布局设置、受力研究、价格衡量等较小的设计项目。在实际的结构设计中，设计者还要紧密结合建筑工程的实际情况，努力实现房屋建造的经济效益、社会效益和环境效益。

在确保房屋结构性能稳定的前提下，设计者要大胆创新，敢于探索新型的结构优化方案。在进行建筑结构设计的过程中，设计者要平衡房屋使用者和建造者的利益，充分考虑房屋建筑工作者的意见；在满足建筑物建造者需求的基础上，寻求新式的房屋结构布局方法。

具体而言，房屋的平面结构应当凭证，体现出建筑物的对称美，并尽量减小平面建造质量与房屋刚性结构要求之间的差异，使得房屋在承受较大的水平方向作用力时，不至于发生结构性的扭曲；在满足居住着使用要求的基础上，设计者应将房屋的承重结构设计成竖直贯通的形式，以便增强房屋对竖直方向压力的承受能力；尽量不更换房屋原有的转换结构。因为一旦更换这些结构，就会消耗大量的建筑原料，不符合房屋建设的经济性的要求，还不比较容易造成外来压力集中于某一个承受点上的现象；竖直方向的刚性程度设计要遵循渐变规律，避免刚性结构角度的突然改变。否则，角度突变的部位在受到强烈的水平压力时，不容易转移压力，这对于房屋整体抗压性能的提升是很不利的。

三、房屋结构设计优化方法概述

在建筑结构设计工作中，造价是极为关键的一个环节，也是整个工程中比例极为重大的问题。结构设计优化技术的选用对于造价控制极为关键，可以产生客观的经济效益。为此，建筑设计部门和有关工作人员在工作中必须要遵守经济、适用、合理、科学的设计原则，精心设计，采取科学的现代化技术手段制定出能够满足建设设计、工作要求的设计方案，从而实现降低工程造价、取得工程最大经济效益的目的。

1.结构设计优化技术分析

在刚从事建筑工程项目结构设计的时候，除了考虑到设计对象的基本使用功能以及安全可靠性之外，还应当在工作中考虑到将它作为设计对象来进行分析，使得其尽可能的达到完美。这就是工程和结构的最优化问题，是一个用科学的语言来描述的问题。对于利用确定的数学方法，在所能的设计方案的集合中搜索出可以让人满足、达到预计标准的方案。

结构设计优化方法从建筑理论上进行分析，主要是体现房屋工程分布结构的优化设计和整体结构优化设计两个不同的方面。其中房屋结构整体优化设计则是一个涵盖了房屋系统的设计、房屋围护结构设计、房屋选型设计、房屋布置、房屋受力分析以及地面工程等多个环节的复杂工作。而局部设计主要是指对房屋某一部位和分项工程进行优化和改进的结果。

2.房屋结构优化设计的意义

就一个建筑工程项目而言，结构设计优化技术的应用不仅可以达到降低工程造价、提高工程效率的效果，而且对于实现房屋的美观性、实用性以及室内空间的个性化布置有着重要的意义。在建筑市场上，每一个单位和企业都希望工程在满足建筑结构长远效益的基础上，最大限度的减少和降低建筑结构的近期投资，同时保证建筑物的节后可靠性、科学性，也只有这样，才能够在工作中实现持续发展、可持续发展以及更多的市场经济效益。

四、结构设计优化技术在建筑结构设计中的应用

结构设计优化方法和技术使用于实践之中的一个广泛课题，是建筑工程项目的整体设计、前期设计、抗震设计等多个部分环节组成，利用结构优化的方法不改变使用性能的前提降低工程造价，已取得巨大的经济效益。

1.结构设计优化前注重事项

结构设计过程中，前提方案时明确设计方案目标的前提，前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段机构设计并不进行参与，设计者进行建筑设计时大多不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。

2.直觉优化（概念设计优化）技术与建筑结构设计

直觉设计用于没有具体数量的情况下，由于不确定性和计算难度大等差异，在对于统一建筑方案，可以有许多不同的结构布置设计；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法；分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是唯一的；建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断。而判断只能在结构设计的一半规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。

3.概念设计处理的实际建筑设计问题

概念设计所要处理的问题是不确定的，多种多样的，例如一些抗震能力。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或是破坏程度降至最低。因此，分析如何应付建筑物可能遭遇的各种不确定因素成为概念设计的重要内容。其中，地震作用最为难以琢磨，破坏性也最大。故而，建筑设计过程中就应该未雨绸缪，从计算及构造等各个方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的做法则应尽量避免。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏。

五、结束语

综上所述，只有合理地选择建筑结构设计方案，不但可以满足相应的技术要求，还能节约工程成本，因此在建筑结构优化设计时，合理的设计方案极其重要。但是建筑的结构优化设计非常复杂，且具有很强的综合性，因此必须深入研究对建筑结构设计的优化方法。

参考文献：

工程结构优化设计概述篇9

(2)对学生的知识面,掌握知识的深度,运用理论结合实际去处理问题的能力,实验能力,外语水平,计算机运用水平,书面及口头表达能力进行考核.

2.要求

(1)要求一定要有结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证,并要求技术含量较高.

(2)设计或论文应该在教学计划所规定的时限内完成.

(3)书面材料:框架及字数应符合规定

3.成绩评定

(1)一般采用优秀,良好,及格和不及格四级计分的方法.

(2)评阅人和答辩委员会成员对学生的毕业设计或毕业论文的成绩给予评定.

4.评分标准

优秀:按期圆满完成任务书中规定的项目;能熟练地综合运用所学理论和专业知识;有结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证,并有较高技术含量.

立论正确,计算,分析,实验正确,严谨,结论合理,独立工作能力较强,科学作风严谨;毕业设计(论文)有一些独到之处,水平较高.

文字材料条理清楚,通顺,论述充分,符合技术用语要求,符号统一,编号齐全,书写工整.图纸完备,整洁,正确.

答辩时,思路清晰,论点正确,回答问题基本概念清楚,对主要问题回答正确,深入.

(2)良好:按期圆满完成任务书中规定的项目;能较好地运用所学理论和专业知识;有一定的结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证,并有一定的技术含量.立论正确,计算,分析,实验正确,结论合理;有一定的独立工作能为,科学作风好;设计〈论文〉有一定的水平.

文字材料条理清楚,通顺,论述正确,符合技术用语要求,书写工整.设计图纸完备,整洁,正确.

答辩时,思路清晰,论点基本正确,能正确地回答主要问题.

(3)及格:在指导教师的具体帮助下,能按期完成任务,独立工作能力较差且有一些小的疏忽和遗漏;能结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证,但技术含量不高.在运用理论和专业知识中,没有大的原则性错误;论点,论据基本成立,计算,分析,实验基本正确.毕业设计(论文)基本符合要求.

文字材料通顺,但叙述不够恰当和清晰;词句,符号方面的问题较少i图纸质量不高,工作不够认真,个别错误明显.

答辩时,主要问题能答出,或经启发后能答出,回答问题较肤浅.

(5)不及格:任务书规定的项目未按期完成;或基本概念和基本技能未掌握.没有本人结合实际的具体设计内容或独立见解的论证,只是一些文件,资料内容的摘抄.毕业设计(论文)未达到最低要求.

文字材料不通顺,书写潦草,质量很差.图纸不全,或有原则性错误.

答辩时,对毕业设计(论文)的主要内容阐述不清,基本概念糊涂,对主要问题回答有错误,或回答不出.

对毕业设计(论文)质量要求

----论文内容符合任务书要求

1.对管理类论文要求:

·对毕业论文的要求是一定要有结合实际的本人独立论证的内容.

·要求论点明确,立论正确,论证准确,结论确切

·论证内容要求有调查研究,有统计数据,对统计数据要有分析,归纳,总结,

·根据总结得出结论.

·最后有例证说明

管理类论文毕业论文行文的逻辑要领

增强毕业论文行文的逻辑力量,达到概念明确,论证充分,条理分明,思路畅通,是写好毕业论文的关键.提高毕业论文行文的逻辑性,需把握以下几点:

(1)要思路畅通

写毕业论文时,思维必须具有清晰性,连贯性,周密性,条理性和规律性,才能构建起严谨,和谐的逻辑结构.

(2)要层次清晰,有条有理写毕业论文,先说什么,后说什么,一层一层如何衔接,这一点和论文行文的逻辑性很有关系.

(3)要论证充分,以理服人,写毕业论文,最常用的方法是归纳论证,即用对事实的科学分析和叙述来证明观点,或用基本的史实,科学的调查,精确的数字来证明观点.

(4)毕业论文行文要注意思维和论述首尾一贯,明白确切.

(5)文字书写规范,语言准确,简洁.

2.对工程设计性论文要求:

·有设计地域的自然状况说明和介绍

·有原有通信网概况介绍及运行参数的说明

·有设计需求,业务预测

·有具体的设计方案

·有相应性能及参数设计和计算

·有完整的设计图纸

例如:A市本地SDH传输网设计方案

一,A市概况简介

二,A市电信局SDH传输网络现状(或PDH传输网络现状)

1,A市本地网网络结构,交换局数量及位置,传输设备类型及容量

2,存在的问题及扩大SDH网的必要性(或建设SDH网的必要性)----需求及业务预测

三,A市电信局SDH传输网络结构设计方案

1,网络拓扑结构设计

2,设备简介

3,局间中继电路的计算与分配

4,局间中继距离的计算

四,SDH网络保护方式

1,SDH网络保护的基本原理

2,A市电信局SDH网网络保护方式的选择及具体设计

五,SDH网同步

1,同步网概念与结构

2,定时信号的传送方式

3,A市电信局SDH网络同步方式具体设计

六,方案论证,评估

3.计算机类型题目论文要求:

管理信息系统

·需求分析(含设计目标)

·总体方案设计(总体功能框图,软件平台的选择,运行模式等)

·数据库设计(需求分析,概念库设计,逻辑库设计,物理库设计,E-R图,数据流图,数据字典,数据库表结构及关系),

·模块软件设计(各模块的设计流程),

·系统运行与调试.

·附主要程序清单(与学生设计相关的部分,目的是检测是否是学生自己作的).

校园网,企业网等局域网设计

·功能需求

·对通信量的分析

·网络系统拓扑设计

·设备选型,配置

·软件配置

·子网及VLAN的划分

·IP地址规划

·接入Internet

·网络安全

例如:××人事劳资管理信息系统的开发与设计

1,开发人事劳资管理信息系统的设想

(1)人事劳资管理信息系统简介

(2)人事劳资管理信息系统的用户需求

2,人事劳资管理信息系统的分析设计

(1)系统功能模块设计

(2)数据库设计

—数据库概念结构设计

—数据库逻辑结构设计

(3)系统开发环境简介

3,人事劳资管理信息系统的具体实现

(1)数据库结构的实现

(2)应用程序对象的创建

(3)应用程序的主窗口

(4)菜单结构

(5)数据窗口对象的创建

(6)登录程序设计

(7)输入程序设计

(8)查询程序设计

(9)报表程序设计

4,总结

设计报告格式与书写要求

·设计报告应按统一格式装订成册,其顺序为:封面,任务书,指导教师评语,内容摘要(200～400字),目录,报告正文,图纸,测试数据及计算机程序清单.

·报告构思,书写要求是:逻辑性强,条理清楚;语言通顺简练,文字打印清楚;插图清晰准确;文字字数要求1万字以上例如:(1)A市本地SDH传输网设计方案

一,A市概况简介

二,A市电信局SDH传输网络现状(或PDH传输网络现状)

1,A市本地网网络结构,交换局数量及位置,传输设备类型及容量

2,存在的问题及扩大SDH网的必要性(或建设SDH网的必要性)----需求及业务预测

三,A市电信局SDH传输网络结构设计方案

1,网络拓扑结构设计

2,设备简介

3,局间中继电路的计算与分配

4,局间中继距离的计算

四,SDH网络保护方式

1,SDH网络保护的基本原理

2,A市电信局SDH网网络保护方式的选择及具体设计

五,SDH网同步

1,同步网概念与结构

2,定时信号的传送方式

3,A市电信局SDH网络同步方式具体设计

六,方案论证,评估

(2)A地区GSM数字蜂窝移动通信系统网络优化设计方案

一,A地区GSM数字蜂窝移动通信现状

1,A地区概况;人口,地形,发展情况

2,系统现状;现有基站,话务状况

3,现行网络运行中存在的问题及分析

①接通率数据采集与分析

②掉话率数据采集与分析

③拥塞率数据采集与分析

4,话务预测分析计算

二,A地区GSM数字蜂窝移动通信系统网络优化设计方案

1,优化网络拓扑图设计

2,硬件配置及参数的优化

3,基站勘测设计及安装

4,交换局容量及基站数量

5,传输线路的设计

三,网络性能及分析对比

1,优化前网络运行情况

2,数据采集与分析

3,拨打测试

四,网络优化方案评价

(3)A市无线市话系统无线侧网络规划设计

一,无线市话网络概述

1,A市通信网络发展情况

2,IPAS网络特点

二,A市本地电活网络现状

1,现有传输网络结构

2,传统无线网络规划

三,无线网络规划设计方案

1,A市自然概况介绍

2,总体话务预测计算

3,IPAS网络结构设计及说明

4,覆盖区域划分,基站数量预测计算

(l〉每个覆盖区话务预测计算

(2)基站容量频道设计

5,基站选址,计算覆盖区域内信号覆盖情况

6,寻呼区的划分

(1〉各个网关寻呼区的划分

(2〉各个基站控制器寻呼区的划分

7,网关及CSC的规划

(1)网关到CSC侧2M链路设计

(2)CSC到CS线路设计

四,基站同步规划

(4)A市GSM无线网络优化

一,GSM网络概述

二,A市GSM网络情况介绍

2.1网络结构

2.2网元配置

2.3现网突出问题表现

三,GSM网络优化工作分类及流程

3.1GSM网络优化工作分类

3.2交换网络优化流程

3.3无线网络优化流程

3.3.1无线网络优化流程

3.3.2无线网络优化流程的实际应用

四,网络优化的相关技术指标

4.1接通率

4.2掉话率

4.3话务量

4.4长途来话接通率

4.5拥塞率

4.6其它

五,无线网络优化设计及调整

5.1网络运行质量数据收集

工程结构优化设计概述篇10

针对机械臂而言，其机械系统和控制系统是密切相关的，两个系统的性能共同决定了机械臂的整体性能，最根本的体现就是在机械臂末端的重复定位精度上。

为了优化机械结构以提升机械系统性能指标，满足设计要求，结构优化设计的概念被提出。结构优化设计就是在工程设计的过程中，不再局限的依靠设计者给定具体的设计方案，而是结合最优化理论的数学思想，在设计变量的取值范围内寻找最优的设计方案，大大缩短了设计周期，提升了设计效率和质量。

目前，利用结构优化设计方法来完成机器人的结构设计工作被越来越多的设计人员所采用，并取得了大量的研究成果。根据设计变量的不同，可以将机器人的结构优化设计分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次。

就机械臂而言，其拓扑优化设计主要包括两方面的研究内容：

（1）对于机械臂机构，在机器人概念设计初期，在初始设计空间，根据设计指标，对机器人整体机构形式进行拓扑优化设计；

（2）对于机械臂零件，在零件所受载荷确定的情况下，对其拓扑结构进行优化设计。拓扑优化在优化过程中改变拓扑构型的同时也改变了尺寸及形状参数，与尺寸优化和形状优化相比具有更大的自由度。

结构拓扑优化设计由设计变量、约束条件和目标函数三要素组成。拓扑优化是选取结构单元的有无作为设计变量，目的是寻求结构刚度在设计空间的最佳分布形式，达到材料的合理分配，以优化结构的某些特性或减轻结构的重量，在产品概念设计阶段，寻求产品最优的拓扑结构具有重要的意义。

尽管经历了三十多年的研究发展，拓扑结构优化技术已经有了长足发展，也在工程上被越来越多的人所重视和利用起来。但是受到其自身分析求解规模大、优化结果难以识别、拓扑构型难以定量描述或参数化等问题的限制，使得结构拓扑优化技术的应用更多的体现在构件及简单工况的层面上，较多的应用在概念设计阶段。

控制系统是决定机械臂功能和性能的主要因素之一，在一定程度上制约着机器人技术的发展。它的主要任务就是控制机械臂在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。机械臂控制系统的优劣，直接影响到机械臂的速度、精度与可靠性。而机械臂控制系统的参数调节过程就是优化控制系统的一项基本步骤。

目前机器人控制系统参数调节过程主要依靠工程经验和简化数学模型进行调节，然后再实物样机上进行调试，调节流程复杂，调节周期长，效率低下。

机械系统从根本上限制了机械臂末端重复定位精度可以达到的最优程度。而关节伺服控制系统直接决定了机械臂末端的跟随误差。两者综合作用共同决定了机械臂末端的重复定位精度，两者不应被单独割裂开来进行分析。

基于上述论述，本文提出了一种基于Simulink&ADAMS联合仿真的机械臂机械结构&控制系统参数的协同优化研究方法。

1 运动学分析

1.1 正运动学分析

1.1.1 \动学数学模型的建立

根据实际的六自由度轻型机械臂构型，建立该机械臂的机构简图，并利用标准D-H参数法建立机械臂的D-H坐标系，如图1所示。其中机械臂末端的坐标系{O6}的原点与坐标系{O5}的原点重合。对应的机械臂D-H参数见表1。

2 轨迹规划

2.1 工作空间分析

机械臂各关节均采用了内部走线方式，设计的机械臂各关节均可达到-180°～180°的运动范围。得到的机械臂工作空间如图2中绿色包络面所示。

2.2 笛卡尔空间圆周轨迹规划

拟让机械臂末端在笛卡尔坐标下沿着空间圆周轨迹运动。选取圆周轨迹的圆心为（500，50，400），半径250mm，空间圆周所在平面的法向量为（0，4，3）。

经上述规划得到的圆周轨迹方程为：

经校验，上述规划的圆周轨迹在机器人的工作空间内，如图2中红色圆周曲线即为规划的末端工作轨迹。

2.3 关节空间各关节轨迹规划

将上述在笛卡尔空间中规划的圆周轨迹，通过机械臂逆运动学求解方法，转化成机械臂关节空间中各关节的关节角度轨迹的三次样条拟合曲线，如图3-图8所示，其中0-5s内的各关节运动轨迹曲线是机械臂从初始状态运动到轨迹起始点的关节轨迹曲线。各关节轨迹的角度插值点见表2所示。

3 关节系统控制参数的协同优化

对于大关节而言，后续的机械臂关节、臂杆、末端执行器及工作负载均是其有效负载，是一个与机械臂位置、姿态及各关节运动状态相关的变量。单纯的在Matlab中考虑机械臂的动力学特性比较复杂、计算时间长。利用专业的动力学建模分析软件Adams，在Adams中解决机械臂的动力学问题，利用Simulink-Adams联合仿真，解决机械臂任务级伺服系统仿真。

将上述优化完成的大臂杆模型导入到ADAMS中并建立柔性体，进行Simulink-ADAMS联合仿真，如图9、图10所示。

4 结果验证

对比协同优化前后的机器人系统实现相同工作路径时机械臂末端的位置误差，验证协同优化方法对提升机器人末端重复定位精度的有效性

表3中列出了优化前后机械臂末端原点最大偏差对比数据，各方向上的最大偏差量均有较大幅度的减小，其中主要受力方向―Z方向（即竖直方向）的最大偏差量减小了69.23%。

表明了本文提出的协同优化方法对提升机械臂重复定位精度的有效性。

5 结论

本文提出了一种基于Simulink-Adams联合仿真模型的控制系统协同优化方法。考虑了机械臂机械系统柔性，传动链间隙及关节传动链刚度等影响因素，使仿真结果更加准确可靠，使得调节后的控制参数更加接近真实最优值。协同优化后机械臂末端的重复定位精度有明显的提升，证明了该方法的有效性，对机械臂的后续研究更具指导意义。

参考文献

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[2]Krog L，Tucker A，Rollema G，et al. Application of topology，sizing and shape optimiza-tion methods to optimal design of aircraft components[J].2002.

[3]Lee S H，Kim J，Park F C，et al. Newton-Type Algorithms for Dynamics-Based Robot Movement Optimization[J].IEEE Transactions on Robotics，2005，21（04）：657-667.

[4]Liu L，Wang G D，Xiao R Y，et al. Optimization of the Method to Palletize Firebricks by Robot Based on Pareto Genetic Algorithm[J].Applied Mechanics & Materials，2014，620：337-342.

[5]Lim K B，Junkins J L.Robustness optimization of structural and controller parameters[J].Journal of Guidance Control & Dynamics，2012，12（12）：89-96.

[6]Deng K，Pan P，Sun J，et al.Shape optimization design of steel shear panel dampers[J].Journal of Constructional Steel Research，2014，99：187-193.

[7]Bourdin B，Kohn R V.Optimization of Structural Topology in the High-Porosity Regime[J].Journal of the Mechanics & Physics of Solids，2004，56（03）：1043C1064.

[8]Tai K，Wang S，Akhtar S，et al. Structural Topology Optimization Using a Genetic Algo-rithm and a Morphological Representation of Geometry[J].Dissertations & Theses - Gradworks，2003，599：319-323.

[9]Sigmund O，Maute K.Topology optimization approaches[J]. Structural & Multidisciplinary Optimization，2013，48（06）：1031-1055.

作者介

工程结构优化设计概述篇11

自从改革开放以来，我国市场经济体制日益完善，建筑市场竞争也越来越激烈，这就使得建筑行业施工成本日益攀升。在这种设备背景下，建筑工程施工人员利用结构优化技术的方法来对建筑结构进行设计，对资源进行合理配置已成为提高建筑经济效益的主要手段，也是现代化建筑工程中备受人们关注和重视的工作环节。这种结构优化技术的应用一方面为房屋结构建设指明了发展新方向，也为现代化社会发展提供了充足的能源保障。

一、结构优化设计概述

随着我国建筑事业的不断发展，越来越多的高层建筑拔地而起，为建筑行业发展指明了新方向的同时也为房屋结构设计工作开展提出了艰巨挑战。截至目前的建筑工程项目中，工作人员如何有效的提高房屋结构的可靠性、经济性已成为一个世界性话题，也是建筑业内人士研究的重点话题。另外，随着建筑市场的发展和建筑材料的不断涌现，更多的新兴建筑材料被应用在房屋结构设计中，起到越来越重要的作用，同时也造成了传统的房屋结构设计方法的滞后和落伍，无法满足目前时展需要，这就需要我们在工作中进行优化，从而发挥出应有的设计目标。

1、结构优化设计

所谓的结构优化设计是指工程结构在满足相关约束条件的基础上，按照预定的目标求出最优化的设计方案和设计策略，以实现最大经济效益。在一个建筑结构设计工作中，其主要的工作环节大致可以分为假设、分析、核对、重新设计几个方面。其中能够重新设计的主要目的在于选择出一个科学、经济、合理的方案，但是它在应用中只是一个分析的环节。

2、结构优化设计构成

房屋结构优化设计是一个综合化、系统化的工作环节，其在工作中包含有建筑结构数学模型的优化设计、变量优化设计、目标函数设计和约束条件分析等环节。

二、建筑结构优化的主要方法

在目前的建筑工程项目中，机构设计有优化的方法与应用结构优化的方法是相互依存和促进的发展关系。随着近年来房屋工程建设力度的加大，建筑工程施工项目越来越受到人们的关注与重视，尤其是在工程项目中，我们对于建筑工程施工结构方面的优化通常还是从两个方面进行的，其中房屋工程的部分优化模式包括对结构设计方案的优化、房屋屋盖系统方案的优化、维护结构方案的优化以及结构细部优化等等。在目前施工项目中，我们最为常见的优化体系和优化措施主要有以下几种。

1、保障设计工作的美观性

赏心悦目在目前的建筑工程项目中越来越受到人们的关注，这也是建筑结构美观性得以保证的关键环节。在这种建筑工程环节中，建筑设计、建筑结构设计以及建筑作用设计都是一种全面系统优化的结果。在这种结构条件下，结构设计通常都是以追求实用、经济、美观和便于施工为主要目的的结构模式。因此在设计中通常也都是从这几个方面入手去分析与完善的。这种设计模式的主要意义在于以经济方式的发展和前进为基础，从而在工作中实现了房屋结构的系统化、全面化发展模式。

2、模型设计优化

在房屋结构设计优化工作中，通常情况下在设计中对要遵循一切从实际出发的优化与设计原则，并且在工程项目中我们需要布置一套系统化的管理模式，同时还需要根据我们目前存在的相关情况和工作模式进行系统化的管理与总结，从而使得工程环节中的设计意图和设计宗旨都能够达到最佳标准和要求。在目前的建筑工程结构设计优化工作中，对于建筑结构设计影响最大的设计模式和变动方式都是以函数确立为主的工作模式，在工作中通常都是运用科学、有序的管理模式和管理技术来进行分析，并且要根据结构的整体性、全面性优化手段来系统深入的进行总结和完善。

三、结构设计优化技术的实践应用

在目前的工程结构设计过程中，除了在工作中需要考虑到设计对象的基本使用功能和安全、可靠性之外，还需要考虑到在设计工作中将设计对象做的尽善尽美，这也是工程和结构优化设计工作中最值得我们关注和重视的话题。用科学的话语来描述就是在工作中利用确定的数学方法将所有可能涉及到工程环节的方案进行稽核，搜索出其中能够满足预定目标且最令人满意的设计方案。

（1）结构设计优化应注意前期参与

因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。

（2）概念设计结合细部结构设计优化

概念设计应用于没有具体数值量化的情况，例如地震设防烈度，因为它的不确定性，计算式难免与现实有较大的差异，在进行设计的时候就要采用概念设计的方法，把数值作为辅助和参考的依据。设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。

四、结构设计优化的现实意义

（1）结构优化设计降低总造价

进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小，节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距也要加大，这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了。另如屋盖部分，一栋楼只有一个屋盖，并不会因为层数的增加而有所改变，它的成本下降会比较明显。

2）进行结构设计优化提高建筑结构经济性

建筑的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长；相反降低层高，可节省材料，有利用抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。

五、结束语

与传统的结构设计相比，采用结构设计优化方法可以使建筑工程造价降低6%-34%。优化方法的技术性实现，可以最合理的利用材料性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，不仅可以实现建筑美观、实用，而且在造价方面也有较大的节省，达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求。

工程结构优化设计概述篇12

现阶段国内外并未对产品概念设计给予统一的界定，但通过对各类产品概念设计定义的整理分析可以发现其都承认产品概念设计过程是对产品整体性能、尺寸、结构、特征、形态等标准进行描述和实验的过程，可见产品概念设计既要满足产品目标市场的实际要求，又要为产品流入市场后提供技术支持，可见其对产品生产全生命周期都至关重要。

一、影响工业设计中产品概念设计的因素分析

1、功能因素

工业产品受到市场认可、占领市场份额的前提是具备市场消费者所需的某种功能，可见确定功能因素是产品设计的首要工作，换言之功能因素是产品概念设计的本质，针对产品发生的消费行为实际上是消费者获取产品功能服务的手段，所以在进行工业设计中产品概念设计的古城中应该以产品功能为核心，有意识的通过专业设计使产品的功能得到优化，可见功能要素是对产品概念设计影响最强烈的要素[1]。例如医疗器械产品在概念设计的过程中，考虑到其功能是检测人体某种指标或对身体某项器官进行改善，所以在设计的过程中要在保证其功能得以实现的同时有意识有过优化设计提升其测量精度和准确性，以此增加产品被社会认可的概率。

2、构成因素

工业产品大部分并非由单个构件构成，而诸多构件的具体组合形式和分解情况对产品整体性能和外观会产生重要的影响，所以在产品概念设计的过程中要有意识的针对产品构成进行优化，现阶段工业上将此方面的设计优化称为定量优化，值得注意的是，构成优化并不是重新对产品进行设计，而是结合设计专业技术，实现在已经确定产品构成单元的设计方案中确定构成单元组合形式最优的方案[2]。产品之间在构件组合方面存在一定的差异，可能会使其具体功能不同，进而满足消费者的个性化需求，提升产品概念设计的市场满意度。例如电子血压仪产品都是由传感器、绑带等构件构成，可以满足读取测试者血压、心率等指标数据的功能要求，但在此基础上有意识的增加语音系统设计，可以使老年测试者视觉方面的数据读取障碍得到消除，更好的提供服务。

3、形态和色彩因素

产品的形态和色彩会对消费者的视觉直接产生冲击力，是消费者对产品建立第一印象的主要对象，所以在进行产品概念设计的过程中需要对这两种因素予以高度的重视，通过设计将产品的经济价值、文化内涵和相关的高新技术进行展示，随着现代消费者个性化需求的逐渐旺盛，产品形态概念设计越来越重要。另外，大量资料显示，产品概念设计的过程中合理应用色彩设计，有利于消费者与设计师在情感上达成共鸣，使消费者对产品的内涵和精神意义更全面的把握，是增加产品附加值的重要手段，甚至对刺激消费者产生购买行为，提升产品销量具有重要的意义[3]。但在应用色彩进行产品概念设计的过程中需要注意不同的色彩具有不同的文化意义，适合不同的人群，盲目采用同种颜色并不能满足各类消费者的要求，例如红色代表热情和张力，更容易引起消费者的视觉注意，深蓝色代表沉稳和神秘，更适合男性等。苹果手机在产品概念设计中在土豪金和福贵银的基础上设计出玫瑰红颜色产品，就是产品概念设计考虑色彩因素的成功案例。

二、工业设计中产品概念设计的方法

1、类比和逆向设计方法

类比法即在对类似的设计对象进行观察并将其与设计产品进行对比的基础上，将类似产品设计中适合设计产品的先进理念或创意引用到设计产品中，提升设计产品的设计效果的方法，可见此设计方法强调对设计过程中积极因素的借鉴和传承、创新，此方法不仅有利于缩短产品概念设计的耗时，而且设计质量也较有保证，但在设计理念创新方面相对较弱[4]。逆向设计法即通过设计师将思维逻辑方式你想调整，进而对产品设计顺序和方法进行调整和创新的方法，此种方式通常可突破已有产品设计的束缚，在创新方面意义突出。

2、分析与评价设计方法

分析即对产品目标消费市场的需求进行分析，评价即产品目标消费市场用户对产品的评价，可见此方法在设计的过程中更加注重消费市场对产品的需求和反馈，所以其产品概念设计对市场的适应性相对较高，后期的销售和服务能力具有一定的优越性，产品生产企业以追求经济效益最大化为目标，所以此设计方法最受现代企业的关注。

3、联想和移植设计方法

联想设计法即将企业现有产品或不同类型产品的功能、技术等因素与即将设计的新产品之间建立联系，使其应用到新产品设计雏形中的方法；移植设计法即将其他领域产品设计中先进的设计理念和技术应用到新产品设计过程中的方法，可见此方法即可以对企业生产设计方面的优势有效的继承，又可以对产品技术水平进行拓展，使其对市场的适应力和消费者的新引力增加，但此设计方法在应用的过程中对设计师的设计素养和能力等方面具有较高的要求。

三、结论

通过上述分析可以发现，现阶段在工业生产的过程中，企业已经认识到产品概念设计的重要性，并在实践中有意识的结合对产品概念生产可能构成影响的因素进行控制和利用，对产品概念设计的方法进行探索，但由于我国产品概念设计发展较晚，所以相关工作任重道远。

作者：董濡悦单位:郑州轻工业学院易斯顿国际美术学院

参考文献

[1]杨洋，毕笑如．工业设计中产品概念设计研究[J]．河南科技，2014，01：16．