了得網工業技術_基於仿真模型的動態響應優化方法

內容簡介

本書繫統地介紹了機械結構動態響應優化方法，包括並行優化、基於法的機械繫統物理模型求模型自適應與法結合的動態響應優化技術、基於MARS的動態響應優化算法、基於模糊聚類的全局動態響應優化算法等。

作者簡介

毛虎平，2011年6月，獲華中科技大學機械設計及理論專業，工學博士學位。現為中北大學機械與動力工程學院，教師，主要研究方向為動態響應優化。

第1章緒論 1

1.1 研究目的和意義 3

1.2 國內外研究概況 5

1.2.1 動態響應優化 6

1.2.2 基於仿真的優化研究概況 7

1.3 本書研究內容、創新點與組織結構 13

1.3.1 本書的主要研究內容 13
第1章緒論 1

1.1 研究目的和意義 3

1.2 國內外研究概況 5

1.2.1 動態響應優化 6

1.2.2 基於仿真的優化研究概況 7

1.3 本書研究內容、創新點與組織結構 13

1.3.1 本書的主要研究內容 13

1.3.2 主要創新點 14

1.3.3 組織結構 15

第2章動態響應優化問題的並行化處理 17

2.1 動態響應優化算法的並行化 17

2.1.1 SQP算法的並行化 17

2.1.2 並行調度算法 18

2.1.3 算法分析 22

2.2 動態響應並行優化過程 23

2.2.1 並行平臺 23

2.2.2 動態響應並行優化實現 24

2.3 實例分析 27

2.4 本章小結 32

第3章基於法的動態響應優化算法 33

3.法 33

3.1.1 瞬態和穩態分析 34

3.1.2 全部狀態變量的全局組裝和求解 36

3.2 法 37

3.2.1 線性動力學方程的逐步法 38

3.2.2 線性結構動態響應方程及其轉化形式 38

3.2.3 時間分劃分 39

3.2.分析 39

3.2.5 集成總體方程及求解 41

3.3 初始條件 41

3.4 基於法的動態響應優化 41

3.5 實例分析 42

3.5.1 動態響應分析 42

3.5.2 動態響應優化 47

3.6 本章小結 83

第4模型自適應與法結合的動態響應優化 84

4.1 法 86

4.1.1 結構動力學方程及其轉化形式 87

4.1.劃分 87

4.1.分析 88

4.1.4 集成總體方程並求解 88

4模型混合自適應方法 89

4.3 處理與時間相關約束的方法 90

4.3.1 關鍵點集法（Critical Points Set Method，CPSM） 90

4.3模型混合自適應優化依賴於時間的約束 91

4.4 算例分析 92

4.4.1 汽車懸架繫統動態響應優化設計問題一 92

4.4.2 汽車懸架繫統動態響應優化設計問題二 94

4.5 結論 96

4.6 本章小結 97

第5章基於MARS的動態響應優化算法 98

5.1 響應面方法 98

5.1.1 多項式 98

5.1.2 MARS 99

5.2 基於MARS的優化技術 103

5.2.1 優化問題 103

5.2.2 近似概念 103

5.2.3 基於MARS的動態優化策略 104

5.3 實例分析 113

5.3.1 Hesse函數 113

5.3.2 階梯懸臂梁截面設計 113

5.3.3 變截面懸臂梁形狀優化設計 116

5.3.4 線性兩自由度減振器最優設計 120

5.3.5 汽車懸架繫統動態響應優化設計 124

5.4 本章小結 130

第6章基於模糊聚類的全局動態響應優化算法 131

6.1 模糊數學方法 131

6.1.1 模糊集的概念 132

6.1.2 模糊分類關繫 133

6.1.3 模糊聚類 134

6.2 模糊C均值聚類 136

6.3 模糊聚類全局仿真優化算法 137

6.3.1 Krig模型 137

6.3.2 拉丁超立方試驗設計 140

6.3.3 算法思想及步驟 140

6.4 實例分析 144

6.5 本章小結 154

附錄A 動態響應優化問題的並行化處理程序 155

附錄B 基於法的動態響應優化算法程序 159

附錄模型自適應與法結合的動態優化 177

附錄D MARS的動態響應優化算法 187

附錄E 基於模糊聚類的全局動態響應優化算法 200

參考文獻 210

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前言
機械結構幾乎都在動態載荷的環境下工作，其各種性能都是依賴於時間的函數。為了提升機器的動態性能，動態優化是非常必要的，然而當前動態優化設計的理論與方法難以適應現代化產品設計的需要，這點主要表現在以下幾個方面：首先，傳統的機械結構優化幾乎都是靜態優化，缺乏考慮由於動態載荷的作用而產生的動態效應，即在靜態力作用下，應用經典優化算法優化，難以解決動態載荷作用下機器性能最佳的問題；其次，即便進行動態優化，也隻是直接進行優化，從而造成因動態分析的復雜性和高耗時性而產生極慢收斂，甚至發散的現像。鋻於此，中北大學能源與動力工程專業從2007年將本書作者派往華中科技大學攻讀博士學位，師從國內外動態仿真優化專家陳立平教授和吳義忠教授，重點研究結構在動態載荷作用下的優化理論與方法。
結構動態響應優化是為實現機械繫統或機械結構在動態載荷作用下，其性能或結構動態響應達到最佳或最大響應最小，其目標是實現對機械繫統單一或組合的物理模型，或者結模型進行快速、高效和準確的最優設計。與傳統的動態優化不同的是，本書作者從並行優化、機械繫統物理模型求解，以及處理與時間相關的約束三個方面出發，並考慮動態響應優化本質，繫統地研究了結構動態響應優化，從而快速、高效和準確地實現了機械繫統或結構動態響應優化。
產品的動態響應優化是產品建模和仿真的最終目的。動態響應優化是指基於機械繫統或結構的仿真的參數優化，對機械繫統物理模型或結構模型，采用相關的優化搜索算法進行求解的一整套方法。基於仿真的動態響應優化最重要的特點是在優化迭代過程中需要通過仿真求解來完成目標函數和約束的估值，而傳統的優化算法或啟發式算法因需要大量的仿真估值而顯得力不從心，加上動態響應仿真分析的復雜性和高耗時性，使得傳統的優化方法雪上加霜。
本書章節安排如下：第1章對基於仿真的動態響應優化方法及其相關技術進行概述；第2章從優化並行化的角度考慮動態響應優化問題；第3章介紹基於法的動態響應優化方法，包括機械繫統物理模型的建立，法的模型轉化，以及處理與時間相關的約束等；第4章模型自適應與法結合的動態響應優化，模型自適應優化算法原理、算法實現、如何與法混合，以及時間關鍵點集方法處理與時間相關的約束；第5章介紹基於MARS的動態響應優化算法，包括MARS響應面的建立、移動極限策略，以及兩者的混合、置信域方法；第6章介紹基於模糊聚類的全局動態響應優化算法，包括模糊聚類理論、Krig模型的建立及全局動態響應搜索的方法。前言
機械結構幾乎都在動態載荷的環境下工作，其各種性能都是依賴於時間的函數。為了提升機器的動態性能，動態優化是非常必要的，然而當前動態優化設計的理論與方法難以適應現代化產品設計的需要，這點主要表現在以下幾個方面：首先，傳統的機械結構優化幾乎都是靜態優化，缺乏考慮由於動態載荷的作用而產生的動態效應，即在靜態力作用下，應用經典優化算法優化，難以解決動態載荷作用下機器性能最佳的問題；其次，即便進行動態優化，也隻是直接進行優化，從而造成因動態分析的復雜性和高耗時性而產生極慢收斂，甚至發散的現像。鋻於此，中北大學能源與動力工程專業從2007年將本書作者派往華中科技大學攻讀博士學位，師從國內外動態仿真優化專家陳立平教授和吳義忠教授，重點研究結構在動態載荷作用下的優化理論與方法。
結構動態響應優化是為實現機械繫統或機械結構在動態載荷作用下，其性能或結構動態響應達到最佳或最大響應最小，其目標是實現對機械繫統單一或組合的物理模型，或者結模型進行快速、高效和準確的最優設計。與傳統的動態優化不同的是，本書作者從並行優化、機械繫統物理模型求解，以及處理與時間相關的約束三個方面出發，並考慮動態響應優化本質，繫統地研究了結構動態響應優化，從而快速、高效和準確地實現了機械繫統或結構動態響應優化。
產品的動態響應優化是產品建模和仿真的最終目的。動態響應優化是指基於機械繫統或結構的仿真的參數優化，對機械繫統物理模型或結構模型，采用相關的優化搜索算法進行求解的一整套方法。基於仿真的動態響應優化最重要的特點是在優化迭代過程中需要通過仿真求解來完成目標函數和約束的估值，而傳統的優化算法或啟發式算法因需要大量的仿真估值而顯得力不從心，加上動態響應仿真分析的復雜性和高耗時性，使得傳統的優化方法雪上加霜。
本書章節安排如下：第1章對基於仿真的動態響應優化方法及其相關技術進行概述；第2章從優化並行化的角度考慮動態響應優化問題；第3章介紹基於法的動態響應優化方法，包括機械繫統物理模型的建立，法的模型轉化，以及處理與時間相關的約束等；第4章模型自適應與法結合的動態響應優化，模型自適應優化算法原理、算法實現、如何與法混合，以及時間關鍵點集方法處理與時間相關的約束；第5章介紹基於MARS的動態響應優化算法，包括MARS響應面的建立、移動極限策略，以及兩者的混合、置信域方法；第6章介紹基於模糊聚類的全局動態響應優化算法，包括模糊聚類理論、Krig模型的建立及全局動態響應搜索的方法。
本書涉及的研究工作得到了國家自然基金項目“基於等效體積應變靜態載荷的解離散關鍵點方法及其在結構動態響應優化中的應用”（資助號：51275489）、山西省基礎研究計劃——煤層氣聯合研究基金項目（資助號：2012012003）和煤與煤層氣共采山西省重點實驗室項目資助，在此表示誠摯的謝意。同時，華中科技大學CAD中心的陳立平教授和吳義忠教授，CAD中心的陶松橋博士（現在武漢交通職業學院）和魏昕博士（現在武漢輕工大學機械工程學院），以及中北大學機電工程學院的郭保全副教授，王艷華副教授，中北大學理學院的李建軍副教授，中北大學能源與動力工程的在讀博士張艷崗、王悅芳、王軍、劉勇、劉曉勇、馬福康、奇朝旭、王英，在讀碩士魏波、王傑、馬浩、劉波等也參與了本書的部分編寫工作，在此一並表示衷心的感謝！
動態響應優化是一個較新的研究領域，且仍處於蓬勃的發展階段，加上作者的水平有限，本書難免存在疏漏之處，歡迎讀者批評指正。

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