基于模型的优化设计范文

导语：如何才能写好一篇基于模型的优化设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：给水管网；管网优化；数学模型

中图分类号：TV212.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2007）09-0249-01

1 引言

自从60年代Carmelita以及Shake等人提出利用系统分析的方法，尤其是优化算法进行给水管网设计的课题以来，前人在如何建立管网优化模型方面已经做了大量的研究和探索工作。

给水管网的优化设计，应考虑到4个方面：即保证供水所需的水量和水压、水质安全、可靠性和经济性。管网技术经济计算就是以经济性为目标函数而将其余的作为约束条件，据此建立目标函数和约束条件的表达式以求出最优管径或水头损失。由于水质安全性不容易定量的进行评价，正常时和损坏时用水量会发生变化，二级泵房的运行和流量分配等有不同方案，所有这些因素都难以用数学式表达。因此，管网技术经济计算主要是在考虑各种设计目标的前提下求出一定设计年限内管网建造费用和管理费用之和为最小时的管段直径或水头损失，也就是求出经济管径或经济水头损失。

2 数学优化模型

2.1 压力流单水源环状网的优化设计数学模型

起点水压未给的管网需要供水动力费用，而动力费用随泵站的流量和扬程而定，扬程则决定于控制点要求的最小服务水头，以及输水管和管网的水头损失等。水头损失又和管段长度、管径、流量有关。所以，管径由管网的建造费用和管理费用之和为最低的条件确定，这时目标函数为:

该数学模型是以经济性为目标函数，将其余条件作为约束条件(水力约束和可靠性约束)。由于水质的可靠性指标难以量化，故未考虑水质的约束条件，同样由于可靠性指标的度量问题，水压的约束也仅仅是要求水源泵站扬程必须满足控制点的水压要求，只要控制点的压力在最高用水时可以达到最小服务水头，整个管网就不会存在低压区。此外，也要考虑管径的范围约束，以保证管网的水量和水压。

2.2 多水源环状网的优化设计数学模型

多水源管网供水安全，可以节省造价和电能。其优化设计计算原理与单水源时相同，目标函数为:

该数学模型与上述系统不同的是，每一水源的供水量，随着供水区用水量、水源的水压以及管网中的水头损失而变化，从而存在各水源之间的流量分配问题，即要考虑到水源的水量约束条件。

2.3 设加压泵站环状网的优化设计数学模型

为满足管网中局部地区的水压应在管网中设置加压泵站。当加压泵站位置靠近水源泵站时，水源水泵降压快，而加压泵加压流量大；加压泵站远离水源泵站时，水源水泵降压慢，而加压泵加压流量小。这样，目标函数在进行优化设计计算时应考虑水源泵站和加压泵站两项动力费用。因此建立如下数学模型:

该数学模型与上述系统不同的是：在满足管网水力约束和可靠性约束的同时要满足加压扬程约束。加压泵站流量属于待求的未知数，可近似取为所属管段的管段流量。

对上述系统采用优化的方法进行实现，最终求得系统最优时的管径、管段流量、流速、水力坡度、水泵扬程、各节点的水压等。

3 结束语

给水管网是给水工程中投资最大的子系统，一般要占到工程总造价的50%-80%。在工程总投资有限的前提下，在保证整个供水系统中水量、水压、水质安全以及供水可靠性的基础上，以整个系统的总造价或年费用为目标函数进行管网优化设计，寻求目标函数最小的设计方案,对加强安全可靠性、降低工程成本、提高经济效益和社会效益有着重要的现实意义。

参考文献

［1］王训俭，张宏伟，赵新华.城市配水系统宏观模型的研究［J］.中国给水排水，1988,4，(2).

［2］俞国平.城市配水管网的优化设计［J］.中国给水排水,1987,(5):48-53.

篇2

关键词:道路设计;交通量分配;地理信息系统;遗传算法;道路选线

1研究背景

选线是道路设计中最根本的问题,因为它不但影响道路本身的经济效益和社会效益,而且也影响到路线在道路网中的作用[1]。目前国内外研究中, 王卫红[2]的基于MapGIS的公路选线; Jong等[3]的同时优化三维空间线形的进化模型; Manoj等[4]的一个基于标准的选线决策支持系统; Manoj等[5]的基于遗传算法的线形优化模型,都没有考虑新建道路对区域内路网服务水平的影响。Manoj等[5]提到了路网优化的概 念,但却将具体研究确定为未来的研究内容。我们以前的研究[6]在应用遗传算法枚举线路空间位置,以及新增线路后拓扑网络关系, OD交通量被服务的质量改善和交通环境负荷减轻等方面取得了突破。但是,并没有应用道路设计理论,沿自动生成的道路空间位置进行道路设计。

因此我们以尚未被充分研究的问题为对象,开发同时优化新建道路的空间位置与详细设计的模型。在优化目标函数中考虑新建道路本身的相关费用及其对路网的影响所导致的费用变化。力争应用道路设计的理论与方法设计道路的详细线形,开发平面和纵断面自动设计系统,并计算道路的建设费、土方工程费。利用交通量分配模型计算新建道路带来的道路网服务水平的变化,从而计算OD交通的走行时间费用,并利用环境排放模型计算道路网上交通的环境负荷及其金钱价值。在本研究中,上述所有过程将以同一个GIS数据库为平台, GA算法被用来枚举道路空间位置的候选方案,以及求解该非线性优化模型。

2研究方法

研究的总体框架如图1所示,各阶段的具体内容和创新点将在相关章节予以叙述。

2•1道路的空间位置及遗传算法的应用

2•1•1初始空间位置的生成

在确定新建道路的空间位置时,通常有两个或数个控制点是事先指定的,确定道路的空间位置就是给出控制点间新建道路通过的各个地点。因此新建道路的空间位置应该以控制点连线周边的地形数据为基础设定,当使用DEM数据作为地形数据时,线路的空间位置可以被认为是线路的中心线所占用的DEM网格单元的集合,初始空间位置生成就是确定这个集合的过程。

为了提高遗传算法候选方案的有效性,可以先确定选线走廊。如图2所示,为了使初始空间位置有足够的选择余地,沿控制点的连线隔一定距离设定一个横断面,位于该断面上的网格单元就是道路在这个横断面上可能通过的位置。假设控制点间的直线被分成n+1段,就会有n组网格单元,对每组单元进行连续排列可以得到各组网格单元的最小和最大编号。初始空间位置可以表示为一个数字串,其中每个数字都对应一组网格单元中的一个编号。随即生成的道路空间位置的初始方案可用式(1)计算[6],也就是说在每一组网格单元中随机选取一个网格(图2中五角星标示的网格),将网格的中心点作为道路的控制点,连接所有的控制点生成道路的初始线形i。

2•1•2遗传算法的设计和适应度函数的选取

如图1所示遗传算法被用来判断各个候选方案的优劣并繁衍出新的候选方案,它对代表上一代道路空间位置的数字串进行交叉、变异、选择操作,从而得出一组新的空间位置方案,通过循环计算寻找道路空间的最优位置。这里根据遗传算法的规则将初始空间位置表示成初期染色体,各单元编号就是染色体的基因,然后进行基因交叉、变异和选择染色体,具体算法步骤如下。

第1步∶将道路空间位置的初始方案作为初始染色体,染色体的数量由Psize来控制,并用十进制编码法对初始染色体编码。

第2步∶判断已有的方案是否最优,如果是停止计算,否则进行下一步计算。

第3步∶在两个父代染色体间交换基因。这里采用式(2)所示的算术交叉法。

其中,为父代染色体， 为子代染色体;αi为(0,1)间的一个随机数;i=1,2,…,k(k是进行交叉的染色体的对数)。

第4步∶实施变异操作。如果c=(c1,c2,…,cn)是一个染色体 是一个被选择用于变异的基因,那么ck的变异结果如式(3)所示。

这里,Δ(t,y)的形式如式(4)所示,它返回[0,y]间的一个值,该值随进化代数增加向0逼近。

式中,r是[0,1]间的随机数;t是当前进化代数;λ(λ=25)是由计算者根据经验指定。

第5步∶从上一代染色体中选取子代染色体。考虑到道路的特征,可以事先排除一部分交叉变异后的染色体,其标准是:新建道路上的最小平面转角应该大于某个值;新建道路不应该和既有的某个路段相交多次。然后对余下的空间位置方案进行道路设计和交通量分配,并选择适应度高的Psize个方案返第2步操作。

2•2基于DEM数字地形进行详细线形设计

由于优化的目标函数包含道路建设费用,因此必须尽可能详细地设计出道路的纵断面和水平断面形态。尽管在本阶段达到施工要求的设计是不可能的,但是与之尽可能地相似的设计还是必要的和可以做到的。由于在整个优化过程中,要用遗传算法为一条新建道路繁衍出数十万个空间位置方案,因此手工设计的方法是无法满足计算流程的要求的。另外,遗传算法的计算因子很多都是随机变化的,因此还要保证上百代的遗传算法得以连续不断地进行。因此,在求解优化模型的计算过程中实现道路设计的自动化以及无缝不间断输入、输出是必不可少的。接下来介绍道路平、纵曲线的设计方法及在GIS中的自动化实现。

2•2•1平曲线在GIS中的实现

遗传算法中每次在GIS数据库中生成的道路线形都是折线对象,考虑道路设计的要求,道路平面线形设计应符合直线、缓和曲线与圆曲线的连接原则,但这样会导致问题的复杂,加大计算的难度和负担。因此这里不考虑缓和曲线的设计,用圆曲线平滑新建道路的每个折点,设计直线与圆曲线直接相连的线形。

圆曲线的加入使得圆曲线半径的确定成为关键问题。新建道路线形中,每个控制点都有两条线段与之相邻,这里取水平长度较短的线段长的1/2作为该圆曲线切线长,利用切线与半径的数学关系,确定圆曲线半径。如图3所示,以控制点C2为例,C1C2长度小于C2C3,T点为线段C1C2的中点,确定圆曲线半径R=TC2tan (α)。同理在C3,C4,C5等控制点处可以确定另外一条圆曲线。这种方法并不能保证所有的圆曲线半径满足最小圆曲线半径的要求,因此要利用惩罚费用对不满足该要求的方案进行处理,以便在进入到下一次循环之前淘汰它们。

2•2•2竖曲线在GIS中的实现

在道路设计中通常要满足平包竖的原则,用二次抛物线平滑新建道路纵断面上的各个折点。根据道路的竖曲线设计原理,在纵断面上针对于每个控制点,取与之相邻的水平长度较短的线段的1/3作为二次抛物线的切线长,由于在平曲线设计时以长度的1/2作为圆曲线的切线长,这样可以很好地满足平包竖的原则。但是这样也不能保证所有的纵坡都满足设计规范的要求,因此还要对包含不满足纵坡要求的线形附加惩罚费用。

如图4所示,CP1、CP2、CP3为3个控制点,控制点间的两纵坡坡度分别为i1和i2,ω=i2-i1,若ω>0,则曲线为凹形;反之为凸形,本图中为凸形。这里采用二次抛物线作为竖曲线的基本方程式

竖曲线外距

如图4,在水平方向上每隔50m标示一个桩位,通过上面的公式,计算该桩号上的高程值,用于下面介绍的土方工程量的计算。

2•3评价新建道路对路网服务水平的影响

在遗传算法的各代中都有许多道路方案,而每个方案都对应一个不同的路网。要想研究路网的服务水平,首先要实现路网在GIS中自动重新拓扑题,这里采用文献[6]中描述的自动拓扑路网的方法。

新建道路对路网服务水平的影响,表现为节约的OD总走行时间的价值,汽车尾气排放所引起的金钱损失两个方面。在对每个方案实施自动路网拓扑后,可以用Frame-Wolf法[7]进行OD交通量的分配,从而获得同一个OD交通量在各个路网中路段上的交通流量、走行时间以及行车速度,最后计算出整个OD交通量在各路网上的总走行时间的金钱价值、各种尾气排放量以及相应的金钱损失额度。

2•4计算新建道路涉及的费用

新建道路涉及的费用是评价各选线方案的关键原则,本研究将它作为遗传算法的适应度函数的主要部分。如图1所示,本研究将新建道路的社会总费用成本以及惩罚函数作为遗传算法中的适应度值。这里从道路设计和交通规划的角度分别计算费用,最后综合两方面计算总费用成本。下面详细叙述费用的计算过程。

这里,为一条新建道路的总费用成本 为与设计相关的费用总和 为与道路交通相关的费用总和。

2•4•1与道路设计相关费用

这里， 为基本建设费用,是单位长度的基本建设费用与道路长度的乘积 为土方工程费;为桥梁隧道费用;为惩罚费用。

在计算 时首先利用GIS的空间分析功能,叠加新建道路数据层和选线区域的河流数据层得出道路跨越的河流长度,最后利用跨越长度和桥梁单位长度造价的乘积得到。

在计算 时要同时考虑横断面、纵断面的线形,计算新建道路的土方工程费。土方工程量计算分填土、挖土和平衡运土3部分。由于研究采用DEM的网格作为地表高程状况,所以分割相邻两个格网间的路段,并假设各个区间的坡度是均匀的。这样就可以获得线形实际地面高程,同时利用纵断面和横断面设计线形取得计算高程,按Manoj[5]的方法得到土方工程费计算方法如公式(10)所示。

由于利用遗传算法自动生成控制点,设计新建道路的平曲线线形和竖曲线线形,所以很难完全满足所有的平面圆曲线半径都大于最小半径值的要求,以及纵断面坡度都小于最大坡度的要求,为此,这里引入违反规范的惩罚费用,以实现道路方案的有效评价。

这里把 惩罚费用计算分为两部分,平曲线半径的惩罚费用和纵断面坡度的惩罚费用的计算,具体公式如下式。

其中,为纵断面坡度惩罚费用 为平曲线半径惩罚费用。

其中,为评价时自定义的系数;为道路纵断面第i个控制点的坡度;

为规范要求的最大坡度。

其中 为评价时自定义的系数;为道路平面第i个控制点处设置的圆曲线半径 为设计规范要求的最小圆曲线半径。

2•4•2与道路交通相关的费用

为环境负荷费用,如图1所示,对于每一种线形方案都进行新路网的重新拓扑与交通量平衡分配,通过分配的输出结果(路段交通量、走行时间、平均车速等)可以计算环境负荷费用和走行时间费用。

在计算环境负荷费用时主要考虑了汽车排放的尾气(CO,HC,NO2)造成的污染费用,其计算公式如下。

其中,为单位污染气体的金钱损失指标,有很多种估计值,本研究采用Nakamura等[8]提出的指标值

n为新建路网中的路段总数 为路段i的长度 为第i个路段上的平均行驶速度;qi为第i个路段上的交通流量。

表1给出了各种普通车辆在各种走行速度下的CO, HC, NO2的排放因子。

为路网走行时间费用,其中,n为路网中的路段总数 为第i号路段的走行时间;为时间价值。

为占用绿地费用,占用拆迁费用。 的计算是在GIS中完成的,首先以新建道路的中心线,以新建道路宽度制作缓冲区,生成道路空间面对象,然后分别与表示建筑物、绿地、湿地的数据层叠加,得到相应的建筑物编号,绿地、湿地面积,最后乘以建筑物的和绿地、湿地的单位面积造价得到占用拆迁费用,占用绿地费用及湿地破坏费。

2•5数字试验

这里用一个有35个交通小区的地区对上述方法进行了数字试验,试验地区的道路网由433个路段条, 287个节点构成。实验时GAs中的参数为pc=0•6,pm=0•001,Psize=50,Tmax=60,λ=3,并假定新建道路的设计车速100km/h,路面宽10m,最小圆曲线半径1 000m,纵断面最大坡度4%,挖土费用40元/m3,填土费用12元/m3, 1km工程造价1 000万元,时间价值0•6元/min,道路寿命30年。在GAs算法进行70代后获得比较令人满意的结果。

3总结

篇3

 

近年来，随着我国高等教育的不断发展，高校连续多年扩招，每年大学毕业生数量连创新高。同时，由于社会经济的高速发展和经济的变化性导致了高校所开设的专业与社会对人才的需求不完全匹配，给广大的大学毕业生造成了十分严峻的就业压力。因此，在目前国家宏观经济下行压力较大，大学毕业生就业形势不太理想的情况下，应当未雨绸缪，想企业之所想，急企业之所急，在充分了解社会对应用型人才需求的前提下，充分挖掘学校在人才培养方面的优势，通过改革行政管理专业人才培养目标，优化课程结构设置，以加强学生就业质量为导向，构建培养实践性、应用型的行政管理专业背景的理论基础与实践能力并重的人才培养模式。

 

一、高校行政管理专业毕业生就业环境变化

 

行政管理专业自20世纪80年代在我国高校中恢复专业设置以来，其发展势头如雨后春笋，并逐步确立了本科-硕士-博士的三级学位培养体系，在公共管理专业学位教育、公务员在职培训教育方面发挥了十分重要的作用，为党政机关、企事业单位培养了众多的高级行政管理人才。然而，近年来，随着我国社会主义市场经济体制的逐步确立，大学生自主择业机制的进一步完善，高校行政管理专业毕业生就业形势越来越严峻，尤其是自1999年高校扩招以来，行政管理专业毕业的大学生就业问题矛盾日益突出。从近年来高校行政管理专业毕业大学生就业流向来看，当前该专业大学毕业生的就业环境已经发生变化。具体来说主要表现在以下2个方面：

 

(一)行政管理专业毕业生入职对口公共部门难度加大

 

高校行政管理专业培养以培养公共行政管理人才为主要目标，毕业生对口就业单位一般为党政机关、国有企事业单位以及社会团体等公共部门。然而，随着开设行政管理专业的学校数量不断增多，我国公务员考录制度的不断完善，加上高等教育制度改革不断推进，高校扩招，行政管理专业毕业人数激增，入职对口公共部门难度越来越大。比如在2012年国家公务员考试招考的中央机关及其直属机构共130余单位，计划招考人数1.8万多人，而要求行政管理专业的仅有200余岗位，仅占1.1%，且这类岗位其他专业如社会学、人力资源管理等专业也可报考。

 

(二)企业发展对行政管理专业毕业生需求不断增加

 

近年来，随着我国经济社会的高速发展，中小微等私营企业发展受到国家高度重视，企业发展环境得益改善，促进了私营企业的发展壮大。企业的发展壮大需要以管理人才作为支撑，一方面，从企业管理的现实来看，任何组织，无论是政府、国有企事业单位，还是社会团体、私营企业，其内部组织机构中常见的如办公室、行政部、综合处等机构都会或多或少涉及大量的行政事务的处理。

 

(三)高校培养行政管理专业人才素质与社会对该专业人才要求匹配度不高

 

一方面是党政机关、国有企事业单位等传统用人单位对行政管理专业毕业生需求锐减，一方面是广大私营企业对该专业毕业生大量需求。而从企业反馈的行政管理专业人才素质上看，高校培养的行政管理专业人才还远远达不到企业的用人标准。从当前高校对行政管理专业设置的培养目标及安排的主要课程上看，高校依然不能意识到社会对事件型人才的渴求，而是依然把政治学、行政学、法学及管理学等理论教学放在首位，培养出来的是熟悉党政方面的方针、政策法规，能够从事的是党政机关行政管理的基本能力。

 

二、行政管理专业人才培养模式优化方向

 

(一)与时俱进，根据市场需求适时调整专业培养目标

 

当前，行政管理专业培养目标主要以为党政机关培养从事公共事务管理的专门人才。这样的目标设定，一方面是较为模糊的，管理人员需要的不仅是技术技能，而且应当具备较高实践操作管理能力。一方面该目标的设定仅限制为为党政机关培养，已经脱离了当前社会对行政管理人才需求的实际。因而，行政管理专业人才培养目标应当结合当前经济社会发展现状和市场对人才需求的反馈，进一步细化，并把企业作为该专业人才培养的主要对象，强化培养人才的科学思维，具备对企业和政府互动关系有充分的协调、处理能力的人才。

 

(二)调整课程设置，提升学生专业素质能力

 

对行政管理专业人才培养目标的设置，需要建立在该专业课程调整的基础上，可以把该专业理论学习的内容设置为两大块，包括政府行政管理模块和企业行政管理模块，教学上偏重于企业行政管理的相关知识，如增加《政府经济学》、《政府营销学》、《政府失灵与市场失灵》、《公共投资学》等与企业经营有着一定联系的课程;在企业行政管理课程中，则可以设置一些如《人力资源管理》、《组织行为学》、《办公自动化》、《公文写作》、《公共关系学》等课程，有机地将政府和企业的管理理论课程进行结合，从而加强学生在政府和企业管理的有效融汇贯通。

 

(三)加强校地合作，培养实践性应用型人才

 

高校教育的最终目的是为社会提供高素质的应用型人才，人才的培养不仅需要学校的努力，同时也需要社会的支持，特别是地方政府、企事业单位的大量支持。一方面，除了需要地方政府在办学经费、优惠政策、人才引进、就业安置及高校实习基地建设等方面给以支持外，还需要地方企业为学校人才培养提供相应的支持，如加强校企的沟通互动，企业提出人才培养的需求，学校根据企业的需要调整人才培养的方向，并利用企业实践优势，建立实习基地，以企业管理为标本，建立校企人才培养实习进出路径，培养实践性的应用型人才。

篇4

关键词：SOLIDWORKS；HyperWords；ALGOR；轻量化设计；解藕板

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 04-0000-02

The Lightweight Design of Wire Bonders Decoupling Board on HyperWorks

Wang Shijun,Wang Dacheng

(Wuyi University,Jiangmen529020,China)

Abstract:SOLIDWORKS board established in the original model decoupling,to use it into HyperWords in the use of the relative density method,the objective of minimizing the degree to supple,and add the symmetry constraint on the decoupling plate optimization,according to the optimized morphology and board decoupling,the model is part of the experience modification and reinforcement distribution,the establishment of the final model decoupling board.ALGOR in the decoupling of the original board and new board decoupling of the static and dynamic analysis,static stress and the frequency of their results were compared to verify lightweight design goals.

Keywords:SOLIDWORKS;HyperWords;ALGOR;Lightweight designdesign;

Decoupled board

一、拓扑优化方法简介及理论

（一）优化方法简介。拓扑优化是一种数学方法，在给定的空间结构中寻找最优材料分布，其目的在于用最少的材料得到结构的最佳性能。拓扑优化在工程结构设计的初始阶段可以提供一个概念性设计，帮助设计者对复杂结构与部件能够灵活地、理性地优选方案，寻找结构最佳的传力路径，且其在概念设计阶段能够激发设计人员的灵感，有效实现结构最佳功能和最小成本的结合，因此成为结构优化设计领域的热点。拓扑优化方法包括均匀化法、渐近结构优化法和相对密度法，在HyperWords中主要使用相对密度法，其基本思想是人为地引入一种假想密度在0-1之间可变的材料，0为空1为实,并假定材料的宏观弹性常量与其密度成非线性关系。优化过程中以单元设计变量的大小来决定单元的取舍。相对于其他优化方法,相对密度法设计变量少、计算求解过程简单。

（二）优化理论

1.优化设计的数学基础。优化设计最为关键一步是建立优化设计的数学模型，该模型是用数学的形式表示设计问题的特征和追求目标，是用抽象的方法表达实际问题的特征或本质。数学模型3个方面的内容组成，即由设计变量、目标函数和约束条件，设计变量是在优化过程中会发生改变，是提高优化性能的一组参数，不同参数代表不同的设计方案。目标函数是关于设计变量的函数，即要求的最优设计性能。约束条件是对设计变量和其他性能的要求，是对设计的限制。优化设计的数学模型为目标函数

在Optistruct中，目标函数f（X）、约束函数g（X）与h（X）是从有限元分析中获得的结构响应。设计变量X是一个n维向量，它的确定依赖于优化类型。在拓扑优化中，设计变量是单元的密度；在尺寸优化中，设计变量是结构单元的属性，优化设计即在约束条件下，求解目标函数的最优值。

2.基于Optistruct的结构优化设计流程结构优化方法的选择为根据结构设计的特点和要求，将需要参与优化的数据定义成模型参数，优化处理器根据2次优化参数的比较后确定该次循环目标函数是否已经达到最小值、最优值。如果达到最优，完成迭代，退出优化循环；否则，将根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新进入循环。Optistruct采用HyperMesh进行结构优化问题的前处理和定义，在HyperMesh中完成有限元建模后，利用优化定义面板定义优化变量、约束和目标以及优化参数；然后提交Optistruct进行结构分析和优化。

二、解藕板的轻量化设计

（一）设计目标。解藕板是焊线机中音圈电机和焊头部分的连接件。在焊线的过程中音圈电机通过解藕板带动焊头部分高速、高频运动，且音圈电机的瞬间加速度为8G左右，因此要求解藕板必须具备高刚性和高频率，否则将严重影响焊头部分的定位进度。由于焊头部分及音圈电机的安装位置已经确定，因此不能改变解藕板的长、宽尺寸。现以原始解藕板为基础进行简化，将倒角、圆角、螺钉孔等去除，因为这些特征系统位移及动态特性的影响很小，因此建模时将这些特征略去，简化后的解藕板模型如图1所示。通过本次优化设计要使解藕板的质量减少15%以上、静态位移减少15%以上、一阶固有频率增加20%以上。

（二）拓扑优化设计。由于SOLIDWORKS中的模型文件不能直接导入到HyperWords中，因此需将文件转换为PRT为后缀的格式，然后导入到HyperWords中进行几何清理、网格划分、质量检查、建立负载和约束等操作。其中在网格划分时为提高后处理运算效率，用四面体网格进行划分，尺寸大小为10L。在添加负载及约束时，通过三维建模计算，得焊头部分的质量200K，将其施加于焊头部分连接面，解藕板与音圈电机连接面采用全约束，网格及加载后模型如图2。

在拓扑优化中优化参数不需要人工定义，而是软件将材料分布自动当成优化参数。本文解藕板的拓扑优化以解藕板的体积和柔顺度（Compliance为响应体积是全局响应，柔顺度必须分配到子程序中），以柔顺度最小为目标函数，对于结构静力优化，结构整体刚度最大等价于结构的柔顺度（Compliance）最小化，以0.5的体积上限范围为约束，运用Optistruct模块进行解藕板的拓扑优化计算，经过80步迭代得到优化后的结果，在HyperView中查看密度等值面结果，将Curren Valu取0.015，得到等值面图，如图3。

三、结果对比

在ALGOR中对原始及优化后的解藕板模型进行静应力和模态分析，对比静态位移、固有频率及质量指标，通过简单计算检验优化结果是否达到设计目标。验证分析中所加负载及约束与拓扑优化时完全相同，根据焊线头部分运动频率及振动频率的参与性确定提取原始解藕板及新解藕板的静态位移及前二阶模态分析结果，如图4、图5。其中静态位移的最大值在解藕板与焊头部分连接面的中点处。四阶模态频率及对应最大位移如表1。

为了直观的看出验证结果，现将设计目标及优化结果的一些重要参数列于表2：

由表2看到拓扑优化设计的解藕板完全满足设计目标，而且三项参数均得到不同程度的改善，证明拓扑优化设计的解藕板是较合理的。

四、结论

（一）基于HyperWords的Optistruct模块，运用优化理论对焊线机的解藕板进行了轻量化设计，同时考虑到实际应用及机加工工艺的要求，依据实际经验对模型进行部分修改及布筋。通过对原始解藕板及优化设计后的解藕板进行静力学及动力学分析及参数对比，验证了轻量化设计的预设目标。从优化过程及结果可以得出：基于HyperWords的Optistruct模块的优化设计，不仅在产品的设计开发初期缩短开发周期、降低开发成本，而且可以对已有部件以柔度和固有频率为目标进行轻量化设计，降低了原材料成本。

（二）拓扑优化设计不仅要求从事此工作的技术人员有丰富的工作经验及专业技能，更要求要不同学科技术人员的参与，如CAD、CAE、CAM等多学科技术人员。

（三）铁、铜等金属资源为非可再生资源，利用优化设计可以在满足技术要求的前提下降低金属的使用量。

（四）拓扑优化技术在国外工程领域已经有较多应用，而且已有大量成功应用的案例，反观国内的工程应用还较少，我们要加强这方面的工作，缩小与国外的差距。

参考文献

[1]隋允康,叶红玲,杜家政.结构拓扑优化的发展及其模型转化为独立层次的迫切性[J].工程力学,2005,22:107-118

[2]刘旺玉,曾琳.基于OptiStruct的风力叶片拓扑优化设计[J].机械工程师,2009,6:47-48

[3]张胜兰.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].机械工业出版社,2007

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关键词：舰载导弹；小扰动；制导控制；俯仰角

中图分类号：TJ765. 3 文献标识码：A

0 引 言

舰载导弹是搭载在水面舰艇上，主要用于执行防空反导，水面舰艇攻击等作战任务，目前已经发展成为水面舰艇的核心作战武器。舰载导弹经过30多年的改进演变，目前已经形成较为完整的制导控制体系和发射体系，而今的舰载导弹也已构建了较为成熟的垂直发射系统，带来了舰艇空间在更大限度上不断上升的利用效率，增强了舰艇的安全可靠及抗损性[1]。随着制导控制技术的变革与飞跃式进步，对舰载导弹的控制精度也随即提出了更高的要求，舰载导弹的制导控制是保障导弹稳定可靠飞行和发射的关键技术，通过对舰载导弹的制导控制技术的优化设计，能够有效提高导弹对目标的命中率和可靠性，因此，研究舰载导弹的制导控制技术优化具有重要意义。

舰载导弹在整个飞行过程中，由于大气密度等飞行条件的影响，容易产生大气的小扰动，在小扰动条件下则会导致飞行控制失稳，需要进行稳定性控制和小扰动抑制。传统方法中，对舰载导弹的小扰动抑制控制方法主要有PID神经网络模糊控制方法、自适应误差补偿方法、反演积分控制方法和滑膜控制方法等[2-5]，通过构建导弹的飞行动力学系统模型，采用相关的控制方法进行参量镇定和误差修正，提高了控制精度，取得了一定的成果。其中，文献[5]采用 鲁棒控制方法进行了舰载导弹的小扰动抑制和制导控制，基本满足制导控制的精度要求，且计算开销较小，能够应用在实践中，但是随着干扰强度的增大，控制精度和导弹飞行轨迹的误差修正能力不好。针对上述问题，本文提出一种基于小扰动抑制和参数自整定误差修正的舰载导弹制导控制优化算法，首先构建舰载导弹的被控对象模型和纵向运动数学模型，根据控制约束参量进行舰的载导弹制导控制约束参量分析，然后采用小扰动抑制方法进行扰动误差和控制参量的自整定修正，实现控制算法优化设计。最后通过仿真实验进行性能测试，得出有效性结论，展示了本文方法在提高导弹制导控制性能方面的优越性。

1 被控对象描述和舰载导弹运动数学模型构建

1.1 小扰动条件下舰载导弹制导控制对象描述

在舰载导弹的制导控制设计中，重要的一步是构建舰载导弹制导控制对象模型和运动数学模型，通过控制系统优化设计，进行飞行扰动的补偿和控制参量的镇定性设计，舰载导弹在发射出箱后飞行时容易受到大气小扰动的影响，导致飞行失稳，在舰载导弹的制导控制设计中，采用陀螺仪、加速度计和姿态基准采集器进行运动参量采集[6]，舰载导弹制导控制流程结构框图如图1所示。

4 结束语

通过对舰载导弹的制导控制技术的优化设计，提高导弹对目标的命中率和可靠性，本文提出一种基于小扰动抑制和参数自整定误差修正的舰载导弹制导控制优化算法，构建舰载导弹的被控对象模型和纵向运动数学模型，根据控制约束参量进行舰载导弹制导控制约束参量分析，然后采用小扰动抑制方法进行扰动误差和控制参量的自整定修正，实现控制算法优化设计。通过仿真实验进行性能测试，研究得出，采用该控制方法进行舰载导弹的小扰动抑制和制导控制设计，降低了导弹的轨迹输出误差，俯仰角等运动参量的跟踪性能较好，提高了控制品质，展示了较高的应用价值。

参考文献：

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[2] 徐为民 徐攀. 不确定扰动下双起升桥吊双吊具鲁棒自适应滑模同步协调控制[J]. 控制与决策， 2016， 31（7）： 1192-1198.

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[4] 明平松 刘建昌. 随机多智能体系统稳定性综述[J]. 控制与决策， 2016， 31（3）： 385-393.

[5] ACHANTA R， SHAJI A， SMITH K， et al. SLIC superpixels compared to state-of-the-art superpixel methods[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence， 2012， 34（11）： 2274-2281.

[6] 黄朝，许鑫， 刘敦歌，等. 基于多传感器的微弱磁异常信号提取方法研究[J].电子测量技术，2015，38（10）：91-95.

[7] 邓异，梁燕，周勇.水声换能器基阵信号采集系统优化设计[J].物联网技术，2015，5（4）：36-37，41.

[8] 葛立志.基于全弹道控制分析的水下航行器攻击模型视景仿真[J].舰船电子工程，2015，35（3）：137-141.

篇6

1.1快速模拟理论

注塑模填充过程的快速模拟理论是一种基于计算机技术，可提升计算速度、创新优化设计过程、改善流动分析算法、提高数据分析效率的研究理论[1]。通过填充过程的快速模拟，可以了解注塑过程中的注射压力、注射速度、注射温度、注射时间等参数，以及熔接痕、气穴等状况。建立注塑模快速模拟模型，有助于明确前沿熔体流动状态与型腔厚度的关系，进而提升注塑成型的速度及质量。综上可知，注塑模填充过程快速模拟理论研究是注塑过程优化设计的理论基础，对提升实际生产水平具有重要意义。

1.2成型工艺优化

注塑成型工艺优化是一种通过优化注塑成型工艺、提升产品质量的技术，即通过建立优化模型来构建高效的快速算法，并结合实际操作经验对成型工艺进行优化。该技术中应用了CAE、模拟退火算法、人工神经网络、遗传算法等，具有高效、高水平、低成本的特点[2]。

2注塑制品的壁厚优化

注塑成型过程中，塑件的壁厚对其可成型性、力学性能及成本等具有显著影响。例如，当壁厚过薄时，塑件脆性较大、成型性差，且外观及性能均不理想；若壁厚过厚，则会使塑件的生产周期延长，成本显著增加，同时还会产生不同程度的表面凹陷和内部收缩；而当壁厚变化不均匀时，塑件会出现多种缺陷，如翘曲、变形、表面波痕等。因此，注塑制品壁厚优化设计具有十分重要的意义。本研究的注塑制品壁厚优化设计结合了快速模拟技术和数值模拟技术，以期得到最佳优化结果。

2.1基于快速模拟技术的壁厚优化

基于快速模拟技术的注塑制品壁厚优化是采用壁厚优化最速下降法，对型腔内熔体流动的平衡性进行优化，通过熔体流动平衡评判，得出最优充填时间[3]。首先，采用熔体到达型腔边界的最短等效长度替代到达时间，建立制品壁厚优化模型；然后，采用壁厚优化最速下降法得出初步优化结果；最后，结合实际工作经验对初步优化结果进行区域划分，然后进行下一步优化变量及数目的设计。快速模拟技术针对复杂制品具有更加快速的优化效果，但不适用于壁厚存在明显变化的制品。

2.2基于数值模拟技术的壁厚优化

基于数值模拟技术的壁厚优化是对基于快速模拟技术的壁厚优化结果的进一步优化。由于快速模拟技术对壁厚变化较大制品的优化效果不足，因此需采用数值模拟技术对其初步优化结果进行评判。首先，考虑到壁厚优化过程中应用了快速模拟技术，故可确定其填充过程是高度平衡的；接下来以制品的区域厚度为研究变量进行数值分析，以熔体到达腔体边界的实际时间和模拟时间的算术平均值为研究目标建立壁厚优化模型；随后采用勃克斯修正复形法进行最后的优化设计过程。数值模拟技术有利于分析最终壁厚分布情况，而快速模拟技术则有利于缩短数值分析时间，因此结合了基于快速模拟技术和数值模拟技术的优化算法是实现注塑制品壁厚优化的最佳方法。

3注塑模浇口位置优化

注塑模的浇注过程是基于注塑模流道和浇口进行的。流道设计具有多种类型，以适应不同的情况[4]。而浇口位置是控制熔体速度、保持熔体流动状态、防止熔体回流、提升制品质量的重要部位，其严重影响着制品的品质，一旦浇口位置不合理，制品即会出现漩纹效应、熔接痕、气穴、气孔、迟滞效应、缩痕、缩孔、飞边、翘曲、力学性能差等问题。因此，在注塑模设计过程中，需要慎重选择注塑模的浇口位置。

3.1浇口位置对熔体的影响

浇口位置对塑件外观及性能的影响，主要是通过干扰熔体流动产生的。不合理的浇口位置会使熔体出现迟滞效应、流动平衡差等不良现象，进而产生一系列塑件质量问题。(1)熔体迟滞效应熔体在注塑模中出现迟滞效应是由于注塑模的内部形状不同，导致各处熔体的流动阻力亦不相同，进而在型腔厚薄交界处出现流动迟滞现象。因此浇口应该置于距离可能发生迟滞效应的最远处，以缓解迟滞效应。(2)塑件缩痕、缩孔浇口位置应设置在制品截面较厚之处，以利于补料，从而避免缩痕、缩孔现象的出现。(3)塑件可成型性塑件可成型性主要影响因素是注塑模浇口位置和数量。其优化设计是以熔体高质量充满型腔为目标，以熔体在腔体内部流动长度和熔体积累厚度保持适宜比例为原则，以熔体性质、环境温度、注射压力为参考依据的设计过程。(4)熔体流动平衡浇口位置及数量的设计需要考虑熔体流动到腔体末端所需要的时间，通过分析寻找最优流动状态，以达到熔体流动平衡的效果，进而得到高质量的塑件。(5)塑件平面度熔体进入腔体后需要控制其流动方向，使其呈单一方向平直推进会得到较好的塑件平面度。

3.2浇口位置对塑件外观的影响

浇口位置不当将会影响熔体的流动状态，使熔体流动出现异常，最终影响到塑件外观，常见外观缺陷包括气穴、漩纹效应、熔接痕等。如果浇口位置设计不合理，塑件中往往会产生气穴，而且在注塑过程中的高压、高温条件下，还会出现“柴油机效应”及“跑道效应”，严重影响了塑件的外观和性能。因此，需要选择合适的浇口位置以控制熔体注入过程中的气体流动。漩纹效应是指当熔体通过不恰当的浇口，形成了较高的剪切应力，进而造成熔体断裂，最终在塑件表面形成不同程度的漩纹。漩纹效应不仅严重降低了塑件的表观质量，对其使用性能也存在不良影响。为避免漩纹效应，需将浇口设计成冲击型浇口，以提高浇口控制熔体流速的能力。另外，为避免在影响塑件外观和性能的位置出现熔接痕，亦需选择合理的浇口位置。

3.3浇口位置的选择

浇口位置的设置需考虑注塑模自身的力学特征及塑件的力学性能要求，其将直接影响塑件的品质。首先，浇口位置应该避免设置在塑件承受最强荷载的区域，因为塑件在浇口处的力学性能最差。合理的浇口位置还可使型芯周围受力平衡，不会出现损毁型芯和塑件的现象。而浇口位置设置不当会使塑件出现飞边和翘曲现象，严重影响了塑件质量。飞边与翘曲是由于注塑模内部力学特征不对称所致，因此为避免制品出现飞边与翘曲，应以保持注塑模腔体内部的力学特征对称为原则，慎重选择浇口位置。3.4浇口位置的优化浇口位置优化即是对影响塑件性能和注塑模质量的因素，如流动状态、温度差异、过压、摩擦热等进行考察，然后采用随机搜索法对根据经验选定的浇口位置进行最优分析，以得到最佳浇口位置。

4基于Moldfow的浇注系统优化

基于Moldfow技术的浇注系统优化设计主要包括熔体流道、浇口及冷料槽等部位的优化设计[5]。该设计需以流变学知识为基础，结合实际工作经验，并根据塑件结构特点对其进行模流分析，以确定浇注系统优化方案。

4.1前处理

基于Moldfow技术的注塑模浇注系统优化设计首先需要进行模型导入、网格划分、熔体材料选择及浇注工艺选择等前处理工作。其步骤如下：(1)模型简化根据塑件自身结构特点进行分析，对工艺孔、加强筋等小部位进行集中改善处理。另外为控制误差的出现概率，需对塑件模型进行简化处理。主流的模型简化处理软件为MoldfowCADDoctor，通过该软件可进行模型导入、诊断修复、模型简化、模型输出等一系列模型简化修补处理。(2)模型导入MoldfowCADDoctor软件中所导出的.udm格式文件可以直接导入到CAE中。(3)网格划分与修复处理首先使用MPI系统默认的参数进行网格划分，然后通过变动网格边长进行划分调整，接下来使用网格处理工具进行修复处理，得到处理后的网格划分结果。(4)选择工艺类型和材料种类根据塑件要求，在Moldfow软件上指定相应的材料并设置参数。

4.2浇口位置及数目确定

注塑模浇注系统优化设计中最重要的环节是浇口位置及数量的确定。基于Moldfow技术的浇口位置及数量的确定包括最佳浇口位置预测、浇口设计方案制定、流动模拟分析、翘曲变形分析、综合模拟结果比较等一系列步骤：(1)浇口位置预测通过Moldfow最佳浇口位置分析模块，模拟合理浇口位置区域，以此为最佳浇口位置研究对象进行综合分析。(2)制定浇口优化设计方案根据塑件使用环境及质量要求，并结合实际经验，制定3~5个浇口设计方案，然后通过综合分析，选择模拟结果最好、最有代表性的设计方案。(3)流动模拟和翘曲变形分析流动模拟即利用Moldfow对熔体在模具中的流动情况进行模拟分析，通过对填充时间、注射压力、锁模力等的预测，以确定最优设计方案，进而避免气穴、熔接痕等问题出现。此外，还需分析翘曲变形对塑件的影响，以保障塑件的质量。最后，对各设计方案进行综合比较，以确定最佳设计方案。

4.3浇注系统整体优化

在确定浇口位置及数量后，还需对浇注系统的整体结构进行优化，即根据熔体在不同位置的剪切速率，设置主流道、分流道、点浇口等的尺寸，并实现浇注系统流动平衡，最终达到良好的熔体充填效果[6]。浇注系统整体优化设计是保障塑料制品质量的前提，具有重要意义。其中，浇注系统的平衡设计至关重要。根据塑件的具体结构，分流道基本采用平衡式设计。

5结语

篇7

关键词：给定烈度； 高层结构； 抗震； 优化

Abstract: This article mainly aims at the present domestic theory of optimal design for aseismic structures with respect to the development, research method and the characteristics of each method are discussed briefly. With the consideration of the optimal fortification intensity for aseismic optimum design theory, and combining the current seismic design code, through the given seismic intensity two stage least cost design method for high rise frame structures, the optimization design calculation method are discussed.

Key words: given intensity; high-rise structure; seismic; optimization

中图分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：

前言

当前，各国抗震设计理论多采用二级和三级设计思想，即以“小震不坏、中震可修，大震不倒”作为设防标准，并且据此制定相应的抗震规范和条例，按照这种以保障生命安全为基本目标的抗震设计理论设计的建筑物，在地震中基本可以保证使用者的生命安全，然而在大震甚至中小地震出现的情况下，确不能有效的控制地震破坏所造成的直接和间接经济损失，而这种破坏往往超出了设计者的预料，超过了社会和居住者所能承受的范围。抗震结构的优化设计是抗震结构设计理论的重大发展也是当今结构设计中关于抗震结构可靠度的一个重要发展方面。因为同一个结构设计任务，可以有多种不同的设计方案，从所有可用的方案中选用最满意的方案自然是理所当然的追求。

1、目前国际上几种优化设计理论的发展和特点

在工程结构的建筑方案、结构拓扑和材料确定后，优化内容就是，其主要承载结构的截面尺寸阶段的目标函数应包括结构的造价和长远的经济和社会效益，其中后者要包括结构服役期间运营的直接经济效益的期望值(效益期望)和结构失效带来的损失的期望值(损失期望)。为了解决这些问题，国内外存在几种抗震优化设计方法。包括：

l、基于损伤性能的抗震结构优化设计；

2、基于结构性能的抗震结构优化设计；

3、基于最优设防烈度的抗震结构优化。

这几种抗震结构优化设计方法的主要特点是：

基于损伤性能的抗震设计思想和方法的提出主要是理由是：其一，通过近今年震害的调查和研究发现，建筑物的地震损伤不仅与结构的层间变形有关，而且和结构在地震过程中的累积滞回耗能有关。其止，按照现行抗震设计规范总体上保证了“大震不倒”的安全目标，但地震造成的结构损伤积极严重，以至难以修复，基本上丧失了使用功能。

地震损伤模型是双参数地震损伤模型.。在强烈地震的往复作用下，结构将呈现弹塑形变形和低周疲劳效应对结构地震损伤的影响。钢筋混凝土结构基于地震损伤性能的抗震优化设计方法的简化计算步骤：一是最大弹塑性变形的简化计算。大震作用下结构的弹塑性变形计算比较复杂，可以采用楼层屈服强度系数求得结构层间的最大延性系数。二是累积滞回耗能的简化计算。

基于地震损伤性能的抗震设计方法：对于一般结构，在常遇地震作用下(对于重要结构，在设防烈度地震作用下)可按现行建筑结构抗震设计规范进行截面抗震验算和变形验算。在罕遇地震作用下可以进行薄弱层地震损伤计算。即根据结构的重要性，确定地震损伤性能目标和损伤指数限值，确定结构层恢复力模型及其参数，计算结构的破坏延性系数，计算结构在罕遇地震作用下层间弹塑性最大位移延性系数，计算正规化累计耗能参数，对结构薄弱层的地震损伤指数进行计算并验算。

基于结构性能的抗震设计理论的基本内容应包括地震设防水准、结构抗震性能目标和结构抗震设计方法等三个方面。结构抗震性能与结构的地震作用有关。通过地震等级有关的地震动参数的选择，可将结构在地震中的破坏程度控制在预计的范围内。另外，地震加速度峰值、频谱和持时是反映地震动特征的三要素，也是影响结构地震反映的重要因素，近场地震效应对结构也有较大的影响，而地震动三要素是与震源特征、传播途径、场地条件等有关的。

基于最优设防烈度的抗震优化设计研究主要是与现行规范接轨的优化设计方法。它的优化程序是：首先决策出该结构的最优设防烈度，然后按照此烈度进行结构的最小造价设计，在决策结构的最优设防烈度时，既要考虑结构的近期投资，又要考虑它的长远效益。优化程序可以分两个层次进行：

第一阶段：进行多遇地震作用下的弹性优化设计，第二阶段：对第一阶段所得到的最优结构设计方案进行一次整体弹塑性分析，验算薄弱层弹塑性变形是否满足抗震规范所规定的要求，这个方法与抗震规范的设计方法相同，可称其为“二阶段优化设计方法”，由于抗震结构的弹性优化设计相对来说研究的比较成熟，因此，在现阶段采用“二阶段优化设计方法”是比较现实的。

基于最优设防烈度优化设计理论的优点是：一是能够与现行规范较好的结合起来，便于知道现阶段的优化设计应用；二是将优化设计分成两个阶段来计算，避免了在每一次迭代中都要同时进行弹性分析和弹塑性分析，采用在第二阶段进行弹塑性分析，使结构重分析的次数大大减少。同时也解决了由于无法把弹塑性位移表示为设计向量的函数所造成的困难。另外，二阶段优化设计方法对于所有类型的抗震结构最小造价优化设计都是适用的。

2、给定烈度下高层框架结构优化设计的研究

高层框架结构优化设计的求解过程是：首先假定各构件的初始尺寸，然后对各构件(梁、柱)分别进行优化，求出各构件满足各自约束的最小造价解，将优化后的梁、柱截面尺寸组合起来重新进行内力分析，冻结此内力下分别对各构件进行单独优化，如此反复迭代，直到前后两次优化获得的最优解接近(满足精度要求)为止。这是一般的分部优化法的求解程序。考虑到在框架结构抗震设计中侧移是很重要的因互助，如何得到满足侧移的最小刚度(从而最小地震作用)以及确定各构件的刚度分布以使它们最经济地达到此刚度，应是优化的重要。

为此，我们在单个梁、柱的优化中均加入了层间侧移约束条件，这因为顶点侧移角是各层间位移角的加权平均值(以层高为权)，故层间侧移约束条件若满足，则一般顶点侧移约束条件也可满足。梁的优化模型中其截面高度、梁的宽度可按构造要求给出，在优化过程中按己知量处理。框架梁最优设计所需考虑的约束条件包括：正截面承载力约束条件、斜截面承载力约束条件、一般构造约束条件及抗震构造约束条件等。框架柱的模型中截面宜采用正方形或接近正方形的形式，所以对于柱其设计变量可取截面高度h，而取截面宽度b=h。框架柱最优设计所需考虑的约束条件包括：正截面承载力约束条件、斜截面承载力约束条件、构造约束条件及层间侧移约束条件等。对于由第一阶段弹性优化设计用分部优化方法得到的最优结构设计方案，按照我们二阶段优化设计方法，应该进行第二阶段在“大震”作用下薄弱层的弹塑性变形验算。如果满足，则取设计变量的当前值为最优解；如果不满足，则可以按50mm为模数扩大截面或者改变薄弱层构件的配筋，重新寻找薄弱层验算弹塑性变形，直至满足为止。此时的结构方案就是最终的最优设计方案。

3、结语

本文对给定烈度下工程结构抗震优化设计进行了研究，了解了国内外对该理论的发展和现状，对现行的抗震优化设计理论同现行抗震设计规范相结合，采用分部优化法对框架结构进行了优化设计，通过每个构件的最优设计，达到整体的最优设计；在构件设计时，考虑了承载力约束条件及各种构造要求；通过一个梁和一个柱的算例说明了单个构件的造价与截面间的定性规律，并说明了优化设计对减小结构造价的有效性。从而，推动抗震优化设计的发展。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准，建筑抗震设计规范（GB50011-2010），北京：中国建筑工业出版社，2010.5.31

[2]左春仁等，基于地震损伤性能的抗震设计方法.大连大学学报，2000年第21卷第6期：1-7

[3]欧进萍等，钢筋混凝土结构基于地震损伤性能的设计，地震工程

篇8

关键词：蚁群算法；遗传算法；元胞原理；四杆机构

中图分类号：tg316 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）3-0048-02

随着科学技术和工业水平的不断提高，目前在机械优化设计的要求也越来越高，原来传统的图解法、解析法等设计方法已不能完全满足现在的要求。虽然后来也出现了比如蚁群算法这样的优秀设计方法，但是其自身也存在停滞现象、收敛速度慢等问题，不能很有效的进行机械结构的优化设计。于是基于蚁群算法、遗传算法、元胞原理可提出两种优秀的设计方法：遗传蚁群算法、元胞蚁群算法。这两种设计方法可以有效的克服基本蚁群算法的缺点，改进设计效果，使机械设计变得更加优化。下面我们将分别根据不同的条件，然后运用遗传蚁群算法和元胞蚁群算法进行平面四杆机构再现轨迹的优化进行设计，使机械的优化设计问题得到不同程度的解决。

1 蚁群算法

1.1 蚁群算法基本原理

蚁群算法是由Marco Dorigo于1992年在他的博士论文中提出的一种用来寻找最优优路径的概率型算法。蚁群算法的基本原理和模型来源于蚂蚁在找食物时选择路线的过程。我们都知道自然界的蚂蚁即使在没有任何外界导向信息的情况下，蚂蚁也总是能找到从巢穴到食物的最短路线。Marco Dorigo等人发现，自然界蚂蚁寻找到从巢穴到食物的最短路线，是通过一种正反馈效应实现的。具体表现为：单个的蚂蚁每次会在自己行走的路线下留下一种挥发性的分泌物，我们称其为信息激素。这样就使最优路径上的激素浓度越来越大，而其它路径上的激素浓度会随着蚂蚁的不断运动而逐渐减少，最终使最优路径被找出。

1.2 蚁群算法基本模型及其实现

根据Dorigo等人提出的关于蚁群算法的基本观点，我们可以将蚁群算法的基本实现过程和原理描述以下几个步骤：

①搜索结果不满足预期效果时，蚂蚁继续寻找另一条路线；②搜索过程中非最优路径上的信息激素浓度减少，最优路径上的信息激素增加；③信息激素浓度等根据搜索结果进行实时更新；④搜索到最终结果。但是通过实践发现这种基本蚁群算法原理在求解结果的过程中会出现搜索速度慢等缺点。因此如若将蚁群算法与遗传算法、元胞模型等原理相结合，就出现了遗传蚁群算法、元胞蚁群算法，这些复合的算法就可以有效的克服简单蚁群算法的缺点。

2 遗传蚁群算法

2.1 遗传蚁群算法原理

在上述蚂蚁的转移概率的定义式中，信息启发式因子？鄣和期望值启发式因子？茁，以及信息量残留系数？籽都可以进行用数学方法进行计算分析，因此，如果将？鄣、？茁和？籽这三个因素看成代表蚂蚁搜索求解过程中典型的3段代码，并将？鄣、？茁、？籽编码为实数。然后通过遗传算法中的遗传算子进行变异处理，这样就可以在原有的算法结果的基础上进行优化。这样就把基本的蚁群算法与遗传算法中的遗传变异效应相结合起来。这样遗传蚁群算法原理就产生了。

2.2 遗传蚁群算法模型及其实现（以平面四杆机构优化设计为例）

4 结 语

蚁群算法是模拟自然界蚂蚁的觅食行为的一种模型方法，虽然在机构的优化设计中有一定的优势，但是其自身也存在一些问题，故将蚁群算法和遗传算法、元胞模型进行综合运用，克服了原有基本蚁群算法的缺点。为机构的优化设计提供了更为简便、优秀的设计方法，并且可以根据实际情况的已知条件选择恰当的设计方法。这样我们在实际的设计中可以根据自身的情况选择遗传蚁群算法或者元胞蚁群算法，这为我们的设计提供了较大的选择空间。

参考文献：

[1] 刘国光.基于改进蚁群算法的四杆机构优化设计[J].农业机械学报，2006，37（1）：149-151.

篇9

关键词：钻井液；优化设计；数据库；加权回归模型

引言

合理的钻井液设计是成功进行钻井和降低钻井费用的关键，钻掘工程中，钻井液优化设计主要包括性能设计和配方优选等内容[1]。要设计一套匹配目标地层的最佳钻井液方案，首先必须明确目标地层的具体情况，选择合适的钻井液性能设计体系，然后依靠该体系进行钻井液的配方优化设计。随着我国钻掘工程技术逐渐与国际接轨以及计算机技术的普及，钻掘工程项目设计在规范化、计算机化和管理现代化等方面有了新的发展条件和需求。

目前，针对钻掘工程中钻井液主要由现场技术人员根据经验进行配方设计，设计因人而异，难以形成规范的工艺体系。参考国际先进技术体系，国内许多研究机构也对钻井液优化设计进行了相关研究，涉及体系主要包括范例模型[2]、正价优化实验、神经网络预测体系、数学参数控制体系以及专家预设计等[3]。文章参考数学参数控制体系和专家参数评分方法，结合因子分析方法和数学建模，建立了一种新的钻井液参数优化模型。

1 钻井液基本参数库的建立

1.1 地层的预处理

不同地层对钻井液性能的需求不尽相同，为了满足针对钻井液参数设计的建模需求，首先应对各工作地层进行预处理[4]。依靠专家经验知识划分钻井液指标优控区间，使地层区别反映到钻井液控制指标的参数选择上，这是地层预处理的主要手段。例如，由于软弱地层孔壁自稳能力较差，岩心保真困难，这就要求钻井液在动切力、动塑比等性能方面进行相应的综合控制，使之保持在各地层匹配的优控区间之内。通过地层的预处理，划分出的代表地层指标优控区间，是优化模型的进行运算匹配的特征参数。

1.2 添加剂性能指标的参数化

针对各类钻井液主要添加剂，将其对钻井液性能的影响参数化，并通过室内试验建立了优控模型基础参数库。现已纳入数据库的主要添加剂主要包括高聚物类降滤失剂CMC、高聚物类抑制剂PAM、植物胶、膨润型剂和碱度控制剂以及加重剂等。根据模型运算需求，实验设计包括了比重实验、六速旋转粘度实验、漏斗粘度实验、失水率以及泥皮实验等；其中CMC、PAM、植物胶等主要添加剂分剂量水平进行交叉组合，根据层次分析建库要求，录取相应实测性能数据。另外，由于各代表地层匹配的性能指标优控区间的划分主要依赖于专家知识经验，且粘度、比重、失水率等指标的控制区间选取具有不规范性，为了适应数学模型的运算需求，现通过运算处理，主要选取滤失水量API以及流变性参数n以及K值作为优控参数[5]。

2 参数的分析处理

钻井液表观粘度主要是由流体体系结构内的内摩擦作用和主辅剂高分子间交联所形成的空间网架结构所引起的，尤其在低剪切速率的情况中这种结构表现的更加明显。所以表观粘度的数值大小直接反映着冲洗液空间网架结构构型对冲洗液性能的影响程度，直观的表现就是排砂和携岩屑的效果。同样，无固相冲洗液的流体形式属于假塑性流体，流性指数n表示假塑性流体在一定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性的程度和剪切稀释性的强弱。n值越小，曲线的曲率越大，流体的非牛顿性越强，剪切稀释性也越强，同样动塑比也说明了剪切稀释能力的强弱[6]，需要注意的是，n值并非越小越好，n值应与各地层需求匹配。这有助于冲洗液在环形空间产生较好的流核，形成平板层流，保证了冲洗液能有效地携带岩屑和保持井眼清洁[7]；K值与冲洗液的粘度、切力有关，其值越大，粘度越高，可有效包裹岩心，提高岩心采取率及取芯质量[8]，但K值的增大会导致动切力增大，不利于钻进效率的控制，因此对应各地层指标匹配规则的建立，有利于实现钻井液的最优设计。表1是基于室内试验所建立的基础数据库中的部分实验数据，基浆为膨润土-NaOH浆液，添加剂ABC分别代表为抑制剂PAM、高聚物VG、降滤失剂CMC。

文章以室内试验所建立的数据库为基本观察数据，使用SPSS对数据库中一系列参数分组进行了回归分析。如不同水平的添加剂ABC组合与ND、API等控制指标的回归关系。为了利于参数分析的均衡性，结合对实验数据的直观分析，这里对ND等控制指标的回归分析采用权重估计。在“权重估计”界面中，选取添加剂ABC为自变量，其中C作为权重变量，ND作为因变量，如图1。

此SPSS回归分析所建立的模型，可应用到实验数据库中未涉及的同类别不同水平的添加剂组合，以预测其不同添加剂水平所形成的钻井液体系中ND，API，N的性能水平。将此模型封装成钻井液优化软件应用于钻井液配方的优化设计，能避免繁复的室内试验，高效快速地实现工程应用中的钻井液设计，推进钻掘工程的规范化设计，提升生产效率。

4 结束语

（1）通过经验知识确定各代表地层的泥浆性能需求，确定了API、ND、n值、k值等主要控制参数。（2）通过室内试验建立了主要添加剂的基本性能指标数据库，并通过SPSS软件建立数学模型分析了API、ND、n值、k值与添加剂剂量水平之间的作用关系。（3）基于室内试验数据库建立的加权回归模型能避免繁复的室内试验，快速高效地预测不同添加剂水平所形成的钻井液体系的性能水平，将此模型以计算机软件作为载体应用于工程实践之中具有积极的实际意义。

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篇10

关键词：可靠性； 优化设计； 机动雷达； 升降机构； Adams； 参数化建模

中图分类号：TN957.8文献标志码：B

0引言

对于机械产品来说，从建立初始方案到实施生产制造，均必须经过一个设计过程.设计的完善与否，对产品的力学性能、使用价值和制造成本等都有决定性的影响，同时也必然影响使用产品企业的工作质量和经济效果.因此，如何提高设计质量、发展设计理论、改进设计技术以及加快设计过程，已经成为当今机械设计必然的发展方向之一.[1]

近年来，在机械设计领域中出现不少现代设计方法和相应的科学.目前，可靠性设计和优化设计在理论和方法上都达到一定的水平，但无论单方面进行可靠性设计还是优化设计，都不可能发挥可靠性设计和优化设计的巨大潜力.一方面，因为可靠性设计有时并不等于优化设计，如机械产品在经过可靠性设计后，并不能保证其工作性能或参数就一定处于最佳状态；另一方面，因为优化设计并不一定包含可靠性设计，如机械产品在没有考虑可靠性的状态下进行优化设计后，并不能保证其在规定的条件下和时间内，完成规定的功能，甚至会发生故障和事故，造成损失.另外，由于机械产品有众多的设计参数，要同时确定多个设计参数，单纯的可靠性设计方法就显得无能为力.

进行可靠性优化设计的研究非常重要.为使机械产品既保证具有可靠性要求，又保证具有最佳的工作性能和参数，必须将可靠性设计与优化设计有机结合，开展可靠性优化设计研究，给出机械产品靠性优化设计方法[2-4]，只有这样才能发挥可靠性设计与优化设计的巨大潜力，发挥2种设计方法的特长，达到产品的最佳可靠性要求.

由于可靠性优化设计在科学试验和生产实践上有着广泛的应用前景，其重要意义不言而喻.随着优化设计技术、有限元技术和计算机技术的发展，如何应用软件技术进行可靠性优化设计也成为一个热点.[5]借助于计算机，进一步提高产品的设计速度，同时降低市场风险.

以某型机动雷达的升降机构为研究对象，使用Adams进行参数化建模，在此基础上利用可靠性优化设计技术对其进行优化设计，在满足一定可靠度要求的前提下，达到质量最小的目的.

1基于可靠性的优化设计

1.1可靠性优化设计概述

要使产品既具有可靠性要求，又具有最优的设计结果，必须将可靠性设计理论与最优化技术结合起来，即采用可靠性优化设计方法.按照这种设计方法进行设计，既能定量给出产品在使用中的可靠性，又能得到产品在功能、参数匹配、结构尺寸与质量以及成本等方面的参数最优解.

可靠性优化设计一般包含质量、成本和可靠度等3方面内容.可靠性优化设计[1]见图1.

1.2可靠性优化设计模型

优化设计数学模型的3个要素分别是目标函数、约束条件和设计变量.相对于常规的最优化设计，可靠性优化设计的特点在于将可靠性设计引入到优化设计中.将可靠性设计理论与优化技术结合起来，通常有2种方法[5-6].

（1）以可靠度最大为目标的可靠性优化设计.要求结构或零部件在满足一定性能的条件下，使其可靠度达到最大.可以按可靠性指标建立一个目标函数，而按设计其他要求建立另一个或多个目标函数，然后进行多目标函数优化设计.数学模型为max R（X）

min Fi（X），i=1，2，…，q

s.t. Gj（X），j=1，2，…，m （1）式中：RX为可靠性函数；FiX为某一目标函数；GjX为约束函数.

（2）以可靠度为约束条件的可靠性优化设计.在结构或零部件达到最佳性能指标时，要求其工作可靠度不低于某一规定水平.可将可靠性指标作为约束条件，建立数学模型进行优化设计.一般来说，这种方法更为实用.数学模型为min F（X）

s.t. Ri（X）≥0，i=1，2，…，q

s.t. Gj（X），j=1，2，…，m（2）式中：F（X）为目标函数；Ri（X）为机械产品的可靠度函数；R0为给定的可靠度；Gj（X）为其他约束函数.

2机动雷达升降机构的可靠性优化设计在机动式雷达中，自动架撤系统一般由支臂及撑腿调平系统、天线翻转（折展）机构和升降机构等组成.其中，支臂的功能是在雷达工作时支撑天线车的工作平台，以提高天线的抗风能力，增大天线车的稳定性；调平撑腿的功能是使工作平台在雷达工作状态时达到一定的水平精度，以满足雷达探测精度的要求；天线翻转机构的功能是实现天线工作状态与运输状态间的转换；升降机构的功能是提高天线相位中心的物理高度，以减小近距遮蔽，扩大雷达的探测空域.

升降机构由升降平台、连杆、驱动油缸和底座等组成，见图2.底座是整个举升系统的基础支撑；雷达天线安装在升降平台上，2组等长的连杆作为运动传递和受力构件；连杆在油缸的驱动下，带动升降平台始终以水平姿势运动.[7]

3结论

（1）由确定性优化的结果可知，该优化方法虽然降低质量，但该设计方案中的设计变量x1和x2已达到约束边界值.因此，如果存在不确定性的干扰，则该设计方案极有可能违反这些约束.有必要进行可靠性分析，评估该方案所得结果.

（2）对确定性优化结果进行可靠性分析，该方案所对应的响应g的可靠度为0.87，可靠性水平比较低，有必要进行可靠性优化设计，以进一步提高可靠度.

（3）由可靠性优化设计结果可知，经过重新设计后，2根油缸活塞杆件的质量之和f（x1，x2）的值为188.5 kg，尽管大于确定性优化结果184.08 kg，但满足可靠度要求（R（g）=0.977 8>0.95），综合考虑，可靠性优化设计方案胜于确定性优化方案.

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