時間：2023-05-26 16:44:06
序論：在您撰寫結構優(yōu)化方法時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導您走向新的創(chuàng)作高度。
【關鍵詞】結構設計；結構優(yōu)化；結構類型
0引言
建筑結構優(yōu)化，即在一些建筑結構的設計方案中選取最優(yōu)的或最適宜的設計方案，它參照數學中的模型最優(yōu)化原理應用到建筑工程結構設計方案的優(yōu)化比選中。研究發(fā)現，建筑結構在使用過程中是否穩(wěn)定、耐久、合理等，主要決定于在建筑結構設計時選定的結構類型是否最優(yōu)、是否最符合工程結構的需要。對于同一座建筑工程項目，不同的結構設計師知識儲備不同，因此可能會設計出不同的結構類型、結構體系，但經過結構方案的優(yōu)化、從而選取最優(yōu)化的結構類型，提高建筑結構的使用壽命、穩(wěn)定性能。
1建筑結構優(yōu)化的主要因素
1.1荷載設計
研究發(fā)現，任何一座建筑結構都需要受到水平力和豎向荷載的作用，同時建筑還要承受較大的風荷載、地震力的作用等。當建筑結構的整體高度比較低時，由結構本身的重力引起的豎向荷載對結構的作用比較明顯，而水平荷載作用在結構上，產生的內力和位移比較小，往往在計算時不考慮水平荷載的作用；若在較高層建筑設計中，雖然所受到的豎向荷載仍對結構產生較大程度的影響，但水平荷載對建筑結構本身的影響比豎向荷載產生的影響更加強烈。研究表明，隨著建筑結構整體高度的逐漸增加，水平荷載對建筑結構產生的影響越將會越來越大，因此，在建筑結構高度較高時，結構所承受的水平荷載對結構的影響則不可忽視。
1.2選取結構類型較輕的
在建筑結構優(yōu)化過程中，要盡量選取結構體較輕的。在現代結構優(yōu)化設計中，設計人員越來越重視選用輕質高強材料，從而做大程度上減輕整體結構的自重。由于在多層建筑結構中，水平荷載對結構產生的影響處于較次要地位，結構所承受的主要荷載是豎向荷載。由于多層建筑樓層較少，整體高度相對比較低，結構自重相對來說較輕，對材料的強度要求不是特高。
但隨著建筑結構高度的增加，在較多的樓層作用下，結構產生的自重荷載則會比較大，使得建筑結構對基礎產生較大的豎向荷載，同時在水平荷載的作用下，結構的豎向構件（柱）中會產生較大的水平剪力和附加軸力。為了使得結構滿足剛度和強度的要求，通常采取加大結構構件的截面尺寸，但是加大構件的截面尺寸會使得結構的整體自重增加。因此在高層建筑結構首先應該考慮如何減輕結構的自重。
研究表明，當在高層或超高層建筑結構優(yōu)化設計時，選用結構強度高、自重較輕的鋼結構、高強混凝土結構可以很大程度上減小建筑結構的自重。
1.3 側向位移
據相關資料表明，建筑結構的側向位移隨著建筑高度的增加而逐漸增大，因此，在建筑結構的優(yōu)化設計中，對層數較少、高度較低的結構，可以不考慮其側向位移對結構的影響。但隨建筑結構高度的增加，整體結構的側移對結構產生的影響則不可忽視。
研究表明，由于水平荷載對結構作用產生的側移隨著建筑高度的增加而逐漸增大，且側移量與結構高度成一定的關系。
在進行高層建筑結構優(yōu)化設計時，既需要充分考慮建筑結構整體是否具有足夠的承載能力，能否承受風荷載的沖擊作用，又要求結構具有足夠的抗側移性能，當建筑結構受到較大的水平力作用下，其可以很好地控制產生過大的側移量，確保結構整體的穩(wěn)定性能。
與低層或多層建筑相比，高層建筑結構的剛度稍微差一些，在發(fā)生地震災害時，結構的側向變形更大。為了確保高層建筑結構在進入塑性階段后，結構整體仍具有較強的抗側移性能，保持結構的穩(wěn)定性，則需要在高層建筑結構的構造上采取合適的措施，確保結構具有足夠的延性，從而滿足結構的剛度要求。
2建筑優(yōu)化方法綜述
2.1基本假設
（1）彈性體假設
目前，對建筑結構進行工程分析時，均采用彈性的分析方法。當結構受到風荷載或豎向荷載時，假設結構處于彈性工作狀態(tài)，符合建筑結構的實際受力狀態(tài)。但是當受到地震災害或臺風襲擊時，結構產生較大的側向位移，更甚出現裂縫，使得結構進入到塑性階段，此時不可以再用彈性變形計算，應采用彈塑性理論進行分析。
（2）小變形假設
小變形假設普遍應用于結構變形分析中。但當結構頂點的水平位移與結構的高度比值大于0.002時，就不可以忽略P―Δ效應對結構的影響了。
（3）剛性樓板假設
在高層建筑結構分析時，假設樓板的自身平面內剛度無限大，而自身平面外的剛度則忽略不進行計算。采用這一假設，在很大程度上減少了高層建筑結構位移的自由度，減小了計算的難度，并為筒體結構采用空間薄壁桿的計算理論提供了保障。研究發(fā)現，剛性樓板假設一般適用于框架結構體系和剪力墻結構體系中。
2.2結構優(yōu)化方法
（1）并行算法
由于高層建筑結構的主要因素是結構的抵抗水平力的性能。因此，抗側移性能的強弱成為高層建筑結構設計的關鍵因素，且是衡量建筑結構安全性、穩(wěn)定性能的標準。
由于在建筑結構中，單位建筑結構面積的結構材料中，用于承擔重力荷載的結構材料用量與房屋的層數近似成正比例線性關系。此外，用于建筑結構樓頂的結構材料用量幾乎是定值，不隨結構的層數變化；但是用于墻、柱等結構構件的材料用量隨樓房的層數成線性正比例增加；而對于抵抗側向移動的結構材料用量，與樓房結構層數的二次方的關系增長。圖3-1表示在風荷載作用下的5跨鋼框架結構，不同的結構層數結構材料各個構件用量。
研究表明，樓房結構所采用的結構體系是否具有較好的抗側力性能，在很大程度上影響結構材料的用量，綜合考慮各方面的條件，通過精心設計確定結構的最優(yōu)化設計方案，使結構體系的材料用量降低到最小程度。從上圖中的虛線以上陰影部分就是結構優(yōu)化設計節(jié)約的鋼材用量，因此高層建筑結構方案的優(yōu)化設計可以在很大程度上節(jié)約工程的總造價。
（2可靠度優(yōu)化法
在建筑結構的優(yōu)化設計時，必須進行結構的整體可靠度優(yōu)化。在地質災害發(fā)生不活躍的地區(qū)，風荷載是主要的水平荷載。因此，在非地震災害區(qū)高層建筑結構的方案選型時，應優(yōu)先選用抗風性能比較好的結構體系，也就是選用風壓體型系數較小的建筑結構體系。比如結構外形呈曲線流線型變化的建筑結構圓形、橢圓形等，或是結構從下往上逐漸減小的截錐形體系的風壓體形系數較小，有利于很好地抗風。此外，在對結構進行平面布置時，適合選取結構平面形狀和結構剛度分布均勻對稱的結構體系類型，這樣可以在很大程度上減小風荷載作用下的扭轉效應引起的結構變形和內力的影響。同時，還要限制高層建筑結構的高寬比，避免結構發(fā)生傾覆和失穩(wěn)現象。
（3）高層體系優(yōu)化法
由于建筑使用性能的不同，所以其對內部空間的要求不同。同時，高層建筑結構使用功能不同，則其平面布置也發(fā)生改變。通常，住宅和旅館的客房等宜采用小空間平面布置方案；辦公樓則適合采用大小空間均有；商場、飯店、展覽廳以及工廠廠房等則適宜采用大空間的的平面布置；宴會廳、舞廳則要求結構內部沒有柱子的大空間。由于不同的結構體系可以提供的內部空間的大小不同，因此，在建筑結構設計階段，應該首先根據建筑結構的使用功能，選用合適的結構類型。
3結束語
綜上所述，在確定高層建筑結構方案時，要全面考慮結構的使用功能、場地類別、設防烈度、建筑高度、地基基礎類型、結構材料和施工工藝，同時還要考慮結構的設計、技術以及經濟保障等，選擇最優(yōu)化的結構體系。
參考文獻
[1] 謝琳琳.關于高層建筑結構選型決策的研究[D]，重慶：重慶大學碩士學位論文，2001
【關鍵詞】工業(yè)建筑；結構設計；優(yōu)化方法
1工業(yè)建筑結構優(yōu)化設計的探討
1.1工業(yè)建筑優(yōu)化設計的目的。目前，在工業(yè)建筑優(yōu)化設計的過程之中，依據各類建筑，其優(yōu)化需求目標基本上可以分成兩類：（1）傳統(tǒng)概念之上的建筑結構設計與優(yōu)化，其主要就是針對成本結構來進行優(yōu)化設計，在最大限度之上來充分的保障設計的質量以及結構設計的科學合理性，最終于現代社會低碳環(huán)保的各項要求相符。（2）主要就是利用建筑結構的設計優(yōu)化來滿足企業(yè)工業(yè)生產的各項目標，達到建筑整體而結構的布局及設備置放的部位、分析與處理施工流程之中的各項數據，來最大程度之上加大工業(yè)生產作業(yè)的效率，提升企業(yè)的市場競爭力。
1.2工業(yè)建筑結構設計優(yōu)化中的常見問題。在目前建筑結構設計優(yōu)化設計的施工經驗之中來進行分析，一般問題都是出現在優(yōu)化之中。現如今，應用鋼結構的范圍逐漸的加大，這對于概念性設計與空間美學產生了較大的影響。此外，大部分工業(yè)建筑結構設計優(yōu)化之中，設計人員對于整個結構規(guī)劃布局缺乏一個全面化的認識，最終相應的也就引發(fā)了優(yōu)化效果不顯著情況的出現以及大部分企業(yè)對工業(yè)建筑結構設計優(yōu)化不認可。
2工業(yè)建筑設計優(yōu)化
2.1建筑結構優(yōu)化的注意事項。現如今，在進行建筑結構設計的時候，我們國家大多建筑師基本上都不會參前期方案的設計，針對結構可行性與合理性來進行分析，在后期工程建設與方案設計相應的也就加大了難度，當然這也就需要增加對于工程的投入及應用。在工程結構設計前期就得要及時的引入結構優(yōu)化的設計理念，這樣一來不僅僅可以統(tǒng)籌兼顧來分析出工程優(yōu)化設計的各項需求，而且還可以縮減企業(yè)資金的投入量，那么就可以在工程的初期進行合理的控制。
2.2建立完善的工業(yè)建筑結構優(yōu)化體系。在工業(yè)建筑結構優(yōu)化設計的過程之中，因為各個工業(yè)建筑結構的設計缺失統(tǒng)一的指導方案，那么就會使得建筑內部結構優(yōu)化無法滿足工業(yè)建筑結構的各項要求。所以在進行優(yōu)化設計之前，首先要做的就是得完成的管理體系建立起來，利用管理體系以及工業(yè)建筑結構優(yōu)化設計之中出現的各項問題來進行分析，并及時的制定出來行之有效的措施來解決，逐漸的工作的內容完善起來，最終在最大限度之上來充分的滿足工業(yè)建筑結構優(yōu)化設計質量管理的目的，加大工業(yè)建筑結構優(yōu)化設計質量及其后期正式應用的使用效率。
2.3建立工業(yè)建筑結構設計優(yōu)化模型。為了進一步科學、合理化的實現工業(yè)建筑結構優(yōu)化設計的工作可以有條不紊的進行，在真是開展優(yōu)化工作之前，要將結構優(yōu)化設計模型建立起來，在眾多變量參數之中選擇出來其中的重要參數，逐步將函數模型建立起來，最終實現最佳的優(yōu)化方案。
2.4吊車水平載荷。大部分工廠的生產均要利用吊車來進行輸送體積偏大的獲取，吊車荷載主要可以分為水平與豎直。SAP2000在結構分析之中可以將吊車的水平荷載利用等效靜載負荷的方式來加到排架樁之上，另外豎直荷載主要就是利用移動式的靜載負荷來進行施加的。
2.5電廠煤斗。煤斗是一種大型設備，其主要特征表現在：高度高以及體積大，并且有水平地震的重要性。針對支承構建而產生附加的扭矩以及彎矩，那么就得要利用相應的計算來進行補償附加的內力。其主要步驟為：首先在設備的重心位置加設相應的支承結構，將附加的內力進行縮減；其次則是在與支承梁桿的軸心位置垂直的部位加設梁結構，使得支承梁的扭矩轉變成為作用在梁上的彎矩；再者就是這個時候梁的抗彎能力十分的強，最終轉移危險；最后則是支承結構抗扭配筋在不斷的強化，樓板強度也隨即加強。
2.6磨煤機隔振。對于火電廠而言，其發(fā)電過程之中始終無法離開煤炭，那么其中的關鍵工具就是磨煤機。振動的程度也會在很大程度之上影響到其他設備，特別是配電裝置以及發(fā)電機組所處的控室。為了可以有效的避免這些問題的出現，那么彈性支承系統(tǒng)也因此而出現。（1）應用了彈簧振系統(tǒng)之后，磨煤機基礎臺座的重量約為一般基礎快的二分之一。由于將之前的占地空間縮減，這對于工藝布置而言十分的有利。（2）應用了彈簧隔振系統(tǒng)之后，降低了磨煤機振動的頻率，另外最為關鍵的就是有效的降低了磨煤機對于周邊廠房及人員的影響。（3）因為磨煤機基礎臺座和鍋爐廠房結構之間出現分離的現象，磨煤機基礎施工的靈活性偏大。磨煤機基礎施工的進行交叉是的施工，可以有效的縮減施工周期。（4）調平磨煤機，基礎沉降可以通過彈性彈簧隔振器來進行相應的調整。（5）應用彈簧隔振系統(tǒng)之后，磨煤機自身受到荷載影響偏小，減小了磨煤機磨損的程度，使得磨煤機的運行可靠性進一步的提升。另外還可以有效的延長磨煤機的使用壽命，加大磨煤機大修的周期。（6）和一般基礎相比之下，在應用彈簧隔振系統(tǒng)之后，磨煤機基礎的振動具備可控制性，最為關鍵的就是傳遞到基礎下荷載量減小了，所以可以適當的縮減地基基礎處理的資金。綜上所述，工業(yè)建筑結構設計是一項較為繁雜的工作，那么需要考慮各個方面的因素，從選擇原材料到工程設計以及設計優(yōu)化等等各個部分，依據工業(yè)建筑結構的特征來來具體的進行操作。逐漸的優(yōu)化設計方案，在最大限度之上設計出來經濟合理的方案。
參考文獻
1.1基于拉格朗日方程的剛柔耦合動力學建模在對硅片傳輸機器人動力學模型過程中，需要對實際機器人進行如下合理的假設：①將硅片傳輸機器人手臂等效為均質桿，將關節(jié)質量等效為集中質量；②將同步帶以及諧波減速器等效為無質量線性彈簧，系統(tǒng)阻尼采用比例阻尼進行簡化。經過上述假設后，硅片傳輸機器人手臂可由如圖2所示的簡化模型表示。硅片傳輸機器人手臂簡化模型中各物理量參數定義及其數值見表1。1.2硅片傳輸機器人動態(tài)特性分析柔性系統(tǒng)一般有多階固有頻率以及模態(tài)，但并非所有階固有頻率和模態(tài)會對末端軌跡精度造成影響。為了有效地選取優(yōu)化變量，首先應先對柔性系統(tǒng)進行固有頻率及模態(tài)等動態(tài)特性分析，從中尋找對末端軌跡精度有影響的模態(tài)以及對應的固有頻率階數，從而將優(yōu)化重點放在為對末端軌跡精度影響較大的固有頻率階數上。由于固有頻率為系統(tǒng)的固有屬性，因此將硅片傳輸機器人手臂的剛柔耦合動力學模型寫為式(2)的形式進行模態(tài)分析根據模態(tài)分析理論，柔性系統(tǒng)固有頻率以及模態(tài)振型可由式(3)求得，其中ω為固有頻率，A為模態(tài)振型矢量硅片傳輸機器人手臂柔性關節(jié)系統(tǒng)的質量陣為時變矩陣，因此其固有頻率會隨著末端的位置變化而變化。采用表1的系統(tǒng)參數進行仿真得到硅片傳輸機器人手臂固有頻率特性如圖3所示。由圖3中可以看出機械臂的固有頻率隨末端點位置變化而變化。選取末端點位置最遠點進行模態(tài)分析，分析結果如圖4所示。由模態(tài)分析結果可以看出，系統(tǒng)的第三階模態(tài)各個關節(jié)角的振幅比例約為1:–2:1。根據硅片傳輸機器人手臂的結構原理，大臂、小臂以及末端手的關節(jié)角度按照1:–2:1運動時，末端點的運動軌跡為一條直線，故三階振動狀態(tài)對末端軌跡的直線度并不造成影響。因此，對于硅片傳輸機器人手臂進行優(yōu)化設計時，只需要重點考慮一階與二階的振動，以提高系統(tǒng)一階與二階固有頻率為主要目標。
2手臂結構優(yōu)化變量確定
如何在可優(yōu)化變量中找到對固有頻率影響最大的設計變量通常需要進行靈敏度分析。當優(yōu)化參數以一很小值變化時，將此時固有頻率的變化量作為該結構參數對固有頻率的靈敏度。通常固有頻率對結構設計參數的靈敏度可由式(4)表示式(4)的前提條件為設計變量bj的修改量必須很小。而在實際應用中，對不同設計變量改變同樣數值時的難易程度并不相同，而對優(yōu)化變量改變同樣百分比的數值的難易程度基本一致。例如硅片傳輸機器人柔性關節(jié)剛度數值相對較大，而手臂質量較小，如果同樣采取0.1為改變量時，剛度修改比質量修改更容易。因此，本文提出固有頻率權值的概念，并以權值作為優(yōu)化參數的選擇依據。2.1權值概念在結構優(yōu)化設計中，固有頻率一般為多個優(yōu)化設計變量的隱函數，可將固有頻率按式(6)進行展開，其中偏導數項即為固有頻率的靈敏度，而權值向量則表示所有變量對固有頻率數值“貢獻”的比例。優(yōu)化變量的權值越大說明該變量對固有頻率的影響越大。2.2優(yōu)化參數確定根據上述理論，分別對硅片傳輸機器人手臂的優(yōu)化參數進行靈敏度分析與權值分析。結構參數對一階固有頻率的靈敏度分析結果如圖5所示，結構參數對一階固有頻率的權值分析結果如圖6所示；結構參數對二階固有頻率的靈敏度分析結果如圖7所示，結構參數對二階固有頻率的權值分析結果如圖8所示。從仿真結果中可以看出：當采用靈敏度作為選擇依據時，關節(jié)處的等效慣量靈敏度最高，而其余參數均較小，當采用權值作為選擇依據時，手臂質量、桿長以及柔性環(huán)節(jié)剛度對固有頻率影響較大，顯然采取權值作為判斷依據更符合實際情況。其中權值為正表示參數增大時固有頻率提升，權值為負表示參數減小時固有頻率提升。分析結果表明：對一階固有頻率的權值較大的變量為：腕關節(jié)集中質量、末端手臂質量、小臂與末端手長度以及同步帶的剛度；對二階固有頻率的權值較大的變量為：腕關節(jié)質量、小臂質量、末端手臂質量、小臂與末端手長度以及同步帶剛度。本文只重點考慮質量的優(yōu)化，且腕關節(jié)集中質量主要為軸承等標準件，無法進行優(yōu)化。因此，最終的優(yōu)化變量確定為：小臂質量與末端手臂質量。同時注意到大臂的質量對一階與二階固有頻率均無影響，必要時可以考慮增加大臂的質量來增加豎直方向上的剛度。
3手臂結構優(yōu)化設計
根據上述分析結果，最終選取硅片傳輸機器人小臂質量與末端手臂的質量作為優(yōu)化參數，減小質量參數有助于固有頻率的提高。然而大幅度的減小手臂的質量必然造成手臂在豎直方向上的剛度降低，從而使懸臂結構在豎直方向上的靜態(tài)變形增大以及在豎直方向上的振動的加劇。因此在減小手臂質量的同時，需要考慮對豎直方向上變形的影響。3.1優(yōu)化方法及約束方程推導將硅片傳輸機器人小臂與末端臂簡化為圖9所示的等截面空心梁。其中H與W為空間尺寸約束條件，通常為常數；h1、h2、h3為手臂厚度變量；L為手臂長度。OYZ為截面坐標系，YC為截面彎曲中性軸。硅片傳輸機器人小臂與末端臂的受力均可等效為圖10所示的形式。圖10中p為手臂自身重力引起的均布載荷，Fe為等效力，Me為等效轉矩。則手臂末端的撓度、由于硅片傳輸機器人手臂為串聯結構，故式(8)中的等效力與等效力矩均參數均與該手臂所承載的后端的手臂的質量以及長度參數有關。因此，在進行硅片傳輸機器人手臂結構優(yōu)化設計時需要從末端手臂開始設計，隨后再設計小臂。3.2末端手臂優(yōu)化設計在硅片傳輸機器人末端手臂設計時，末端手臂所承受的等效力與等效轉矩由末端手與負載的參數決定。通常末端手與負載的參數為常數，且末端手等效載荷以及尺寸約束參數數值如表2所示。仿真結果表明：末端總變形隨末端手臂上壁厚度的增加而增加，但當上壁厚度大于2mm后末端總變形基本不變；側壁的厚度對末端總變形的影響較小，基本可以忽略；末端總變形隨著末端手臂下蓋厚度增加而增加，但當下蓋厚度大于1mm之后，總變形增加的較為緩慢。因此，末端手臂厚度尺寸最終確定為：上壁厚度2mm、側壁厚度1.5mm、下蓋厚度1.5mm。3.3小臂結構優(yōu)化設計末端手臂優(yōu)化完成后，小臂的等效力與等效轉矩參數即可以確定。小臂受力及約束尺寸參數數值如表3所示。仿真結果表明：末端總變形隨小臂上壁厚度的增加而增加，但當上壁厚度大于2mm后末端總變形基本不變；側壁的厚度對末端總變形的影響較小，基本可以忽略；末端總變形隨著小臂下蓋厚度增加而增加，但當下蓋厚度大于1mm之后，總變形增加的較為緩慢。因此，小臂厚度尺寸最終確定為：上壁厚度2.5mm、側壁厚度2mm、下蓋厚度1.5mm。
4優(yōu)化前后性能及參數對比
優(yōu)化前后的小臂與末端手臂的三維模型如圖17所示(手臂的下端蓋未顯示)。優(yōu)化前后手臂質量以及硅片傳輸機器人手臂系統(tǒng)的固有頻率數值對比關系如表4所示優(yōu)化前后硅片傳輸機器人手臂系統(tǒng)由懸臂引起的豎直方向上的靜變形、靜應力以及豎直方向上的振動頻率如圖18～23所示。由表5與表6可以看出：優(yōu)化前后末端手臂質量降低了50%，小臂質量降低了18.8%；一階固有頻率平均值與二階固有頻率平均值均提高了10%；豎直方向上最大靜態(tài)變形量降低了52.3%；系統(tǒng)最大應力降低了58.3%；豎直方向上的振動頻率提高了45.2%。
5結論
截面優(yōu)化 形狀優(yōu)化 拓撲優(yōu)化 算法
結構優(yōu)化設計是最近30年來才發(fā)展起來的一個新的技術，這是結構上的一次重大的飛躍，它讓設計者們從被動的狀態(tài)變?yōu)榱酥鲃訝顟B(tài)。優(yōu)化設計能夠非常合理地使用每一種材料的性能，讓結構內的每一個單元都能夠很好的協調在一起，并且保證安全度是完全達標的。于此同時，它還能夠幫助整體性的方案設計進行一個非常合理的決策。結構優(yōu)化設計從出現到現在已經有40多年的歷史了，而在過去的30年內，它在理論和算法等方面都取得了非常顯著的進展。這些進展大部分是與連續(xù)變量優(yōu)化設計相關的，另外少部分是與離散變量優(yōu)化設計相關的。
1.結構優(yōu)化設計理論
1.1 截面優(yōu)化
截面優(yōu)化的設計變量要么是板的厚度、桿的橫截面積，要么是復合材料的方向角度或分層厚度，因此，在使用有限元對結構的位移與應力進行計算時，只需要直接地使用靈敏度分析以及適當的數學規(guī)劃方法便能夠完成截面優(yōu)化的過程，而不需要對網格進行重新劃分。對于幾何狀態(tài)一定的情況，有限元分析只需要在桿的橫截面的性質發(fā)生改變的時候才重復地進行。對于板這類有連續(xù)性結構的東西，也只需要把各個單元的厚度作為設計的變量，得出的優(yōu)化結果便是呈階梯形分布的板的厚度。在這些優(yōu)化設計的過程當中，設計變量和剛度矩陣一般情況下是簡單的線性關系。所以，截面優(yōu)化應該重點研究優(yōu)化算法與靈敏度分析。
1.2 形狀優(yōu)化
形態(tài)優(yōu)化的主要特征是在結構給定的前提下通過對結構的邊界形狀或內部的幾何形狀進行調整來節(jié)約材料并且對結構的特性進行改善。從對象上劃分，形狀優(yōu)化主要可以分為塊狀、板狀的連續(xù)體結構與桁架類的桿系結構。對于桿系結構形狀進行優(yōu)化的求解方法主要可以分為兩類。第一類是綜合法，即是將兩類變量統(tǒng)一起來同時進行處理，運用無量綱化，然后構造近似數學模型進行求解。第二類是分步優(yōu)化方法，即是將尺寸變量和幾何變量分為兩個設計空間，然后分別對這兩類變量進行優(yōu)化，也即是每一步將一個變量固定，同時優(yōu)化另一個變量，兩步之間通過迭代進行協調。
1.3 拓撲優(yōu)化
拓撲優(yōu)化已經成為了現今結構優(yōu)化設計研究的一個焦點，因為它可以在工程結構設計的最初的階段便為設計者提供一個概念性的設計，讓結構在布局上運用到最好的方案，這樣，拓撲優(yōu)化就比截面優(yōu)化和形狀優(yōu)化能夠獲得更大的經濟效益，也更容易受到工程設計人員的親睞。拓撲優(yōu)化的目的是在設計空間中尋找結構的剛度最好的分布形式，從而來對結構的一些性能進行優(yōu)化或者減輕結構的重量。
2.結構優(yōu)化設計方法
2.1 數學規(guī)劃法
數學規(guī)劃方法的提出開創(chuàng)了現代結構優(yōu)化的新時代，將優(yōu)化問題轉化成數學規(guī)劃的形式求解也就是將問題轉化為在設計的空間中，在一定的可行域內尋找最小目標等值面上的可行的點，這個點也就是問題的最優(yōu)解。數學規(guī)劃法有非常嚴格的理論基礎，雖然它在一定的條件下能夠收斂到最優(yōu)的解，但是它要求問題能夠非常明顯地表達，而且大多數情況下還要求設計變量必須是連續(xù)變量，目標函數是連續(xù)的而且性態(tài)要良好。對于大型的結構優(yōu)化問題，收斂性一般都不是很好，而且迭代的次數比較多，這樣就加大了結構分析的工作量，降低了工作效率。近似概念大大地提高了規(guī)劃方法的計算的效率。
2.2 最優(yōu)準則法
直接地使用數學規(guī)劃理論需要多次地調用函數進行計算，而且當設計變量增加時調用次數也會迅速增加，導致設計的效率太低，在這樣一種背景下便出現了最優(yōu)準則法，它是最先發(fā)展的一種結構優(yōu)化設計方法。這種方法雖然計算效率比較高，但是在建立迭代公式的過程中受到很多假設的限制。
2.3 仿生學方法
近年來，對自然界進化進行模擬的算法有兩類，即模仿自然界過程算法和模仿自然界結構算法，主要又可以分為：進化算法、神經網絡算法與模擬退火。
結語
結構優(yōu)化是一門綜合性的學科，也是一個有很大發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较?，它具有一定的理論價值與應用價值。在理論上，它對結構設計提出了一個新理念，極大地促進了人類資源的合理配置。于此同時，結構優(yōu)化問題的本身也帶動了一些相關性學科的發(fā)展，對各個學科的發(fā)展提出了一些新要求。本文對結構優(yōu)化的一些優(yōu)化方法進行了簡要的概括。截面優(yōu)化相對來說已經比較完善，形狀優(yōu)化也漸漸地變得成熟，只有拓撲優(yōu)化至今還處在理論探索的階段。
參考文獻
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關健詞 船舶結構；優(yōu)化；設計方法
中圖分類號 U66 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）103-0100-02
進行船舶結構優(yōu)化設計的目的就是尋求合適的結構形式和最佳的構件尺寸，既保證船體結構的強度、穩(wěn)定性、頻率和剛度等一般條件，又保證其具有很好的力學性能、經濟性能、使用性能和工藝性能。隨著計算機信息技術的發(fā)展，在計算機分析與模擬基礎上建立的船舶結構的優(yōu)化設計，借鑒了相關的工程學科的基本規(guī)律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的優(yōu)化設計方法也取得了較大的進步；建立在人工智能原理與專家系統(tǒng)技術基礎上的智能型結構設計方法也取得了突破性進展。
1經典優(yōu)化設計的數學規(guī)劃方法
結構優(yōu)化設計數學規(guī)劃方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他認為在進行結構設計時應當把給定條件的結構尺寸的優(yōu)化設計問題轉變成目標函數求極值的數學問題。這一方法很快得到了其他專家的認可。1966年，D.Kavlie與J.Moe 等首次將數學規(guī)劃法應用于船舶的結構設計，翻開了船舶結構設計的新篇章。我國的船舶結構的設計方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潛艇在中剖面、框架、板架和圓柱形耐壓殼等基本結構的優(yōu)化設計方法。
由于船舶結構是非常復雜的板梁組合結構，在受力和使用的要求上也很高，所以在進行船舶結構的優(yōu)化設計時，會涉及到許多設計變量與約束條件，工作內容很多，十分困難。船舶結構的分級優(yōu)化設計法就是在這個基礎上產生的，其基本思路是最優(yōu)配置第一級的整個材料，優(yōu)選第二級的具體結構的尺寸。每一級又可以根據具體情況劃分成若干個子級。兩級最后通過協調變量迭代，將整個優(yōu)化問題回歸到原問題。分級優(yōu)化方法成功地解決了進行船舶優(yōu)化設計中的剖面結構、船舶框架和板架、潛艇耐壓殼體等一系列基本問題。
2 多目標的模糊優(yōu)化設計法
經典優(yōu)化設計的數學規(guī)劃方法是在確定性條件下進行的， 也就是說目標函數與約束條件是人為的或者按某種規(guī)定提出的，是個確定的值。但是在實際上， 在船舶結構的優(yōu)化設計過程、約束條件、評價指標等各方面都包含著許多的模糊因素，想要實現模糊因素優(yōu)化問題， 就必須依賴于模糊數學來實現多目標的優(yōu)化設計。模糊優(yōu)化設計問題的主要形式是：
式中j 和j分別是第j性能或者幾何尺寸約束里的上下限。
模糊優(yōu)化設計方法大大的增加了設計者在選擇優(yōu)化方案時的可能性， 讓設計者對設計方案的形態(tài)有了更深入的了解。目前，模糊優(yōu)化設計法發(fā)展很快， 但是，還未實現完全實用化。多目標的模糊優(yōu)化設計法的難點主要在于如何針對具體設計對象， 正確描述目標函數的滿意度與約束函數滿足度隸屬函數的問題。
3 基于可靠性的優(yōu)化設計方法
概率論與數理統(tǒng)計方法首先在40 年代后期由原蘇聯引入到結構設計中， 產生了安全度理論。這種理論以材料勻質系數、超載系數、工作條件系數來分析考慮材料、載荷及環(huán)境等隨機性因素。早在50年代，人們就在船舶結構的優(yōu)化設計中指出了可靠性概念，隨后，船舶設計的可靠性受到人們的重視，開始研究可靠性設計方法在船舶結構建造中的應用。
船舶結構可靠性的理論和方法根據設計目標的不同要求， 可以得出不同的結構可靠性的優(yōu)化設計準則。大體分為以下3種：
1）根據結構的可靠性R·，要求結構的重量W最輕，即：
MinW（X），s.t.R ≧R·
2）根據結構的最大承重量W·， 要求結構的可靠性最大或者破損概率最小，即：
Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·
3）兼顧結構重量和可靠性或破損概率， 實現某種組合的滿意度達到最大，即：
Max[a1uw（X）+a2upf（X）]
式中， a1，a2分別代表結構重量和破損概率的重要度程度， 而且滿足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分別為代表相應的滿意度。
關于船舶結構的可靠性優(yōu)化設計方法的研究越來越多， 逐漸成為船舶的結構優(yōu)化設計中的重要方向。但是，可靠性的優(yōu)化設計方法除了在大規(guī)模的隨機性非線性規(guī)劃求解中存在困難外， 還有一個重要的難點在于評估船舶結構可靠性的過程很復雜， 而且計算量大。
4 智能型的優(yōu)化設計方法
隨著人工智能技術（Al）和計算機信息技術的發(fā)展， 給船舶結構的優(yōu)化設計提供了一個新的途徑，也就是智能型優(yōu)化設計法。
智能型的優(yōu)化設計法的基本做法為：搜索優(yōu)秀的相關產品資料，通過整理，概括成典型模式，再進行關聯分析、類比分析和敏度分析尋找設計對象和樣本模式間的相似度、差異性與設計變量敏度等，按某種準則實施的樣本模式進行變換， 進而產生若干符合設計要求的新模式， 經過綜合評估與經典優(yōu)化方法的調參和優(yōu)選， 最終取得最優(yōu)方案。
智能型的優(yōu)化設計法法的優(yōu)點是創(chuàng)造性較強，缺點是可靠性較弱。所以在分析計算其產生的各種性能指標時，應當進行多目標的模糊評估， 必要時還應當使用經典優(yōu)化方法對某些參數進行調整。
5 結論
通過本文對船舶結構優(yōu)化設計方法的研究，我們得出在進行船舶結構優(yōu)化設計的時候， 往往會涉及到很多相互制約和互相影響的因素， 這就需要設計人員權衡利弊， 進行綜合考察， 不但要進行結構參數與結構型式的優(yōu)選，而且還要針對具體情況對做出的方案進行評估、優(yōu)選和排序。通過什么準則對不同的方案進行綜合評估，得出最優(yōu)方案， 成為專家和設計人員需要繼續(xù)研究的問題。
參考文獻
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（1）速率：速率低，原因在哪？
（2）SINR：干擾高，怎么定位？
（3）覆蓋：覆蓋弱、重疊過高，原因在哪？
（4）業(yè)務：業(yè)務怎么分布、高業(yè)務在哪？
通過LTE網絡結構分析優(yōu)化平臺（ASOS）軟件的算法研究和軟件開發(fā)，使得網絡結構分析優(yōu)化體系化且流程化。ASOS可以對LTE網絡實現小區(qū)級的結構分析，對弱覆蓋、重疊覆蓋、過覆蓋、下行SINR、上行SINR都可以實現小區(qū)級的統(tǒng)計分析，并可以實現弱覆蓋及上下行SINR的采樣點級的定位，快速查找問題區(qū)域。
1 LTE低速率原因分析方法
下載速率由單雙流和MCS決定，雙流和MCS由CQI決定，CQI由SINR決定，那決定SINR的因素就是網絡結構優(yōu)化分析的重點。
LTE低速率問題具體的表征有2個方面，一是每RB的傳輸效率低，二是PRB的調度率低。
2 LTE弱覆蓋問題分析方法
弱覆蓋發(fā)生的原因主要分為站距過大、基站未開通、移動參數配置問題、漏配鄰小區(qū)、室分信號外泄。
在LTE網絡結構分析平臺ASOS中，采用MRO數據對弱覆蓋進行定位分析，發(fā)現弱覆蓋在小區(qū)中的具置，使得弱覆蓋問題的解決更加有目標和針對性。
3 LTE干擾問題分析方法
下行SINR是有效信號功率和干擾信號以及噪聲功率的比值，該指標能有效反映當前網絡的干擾情況。SINR決定下載速率，兩者呈線性關系。
導致低SINR的原因除了弱覆蓋之外，還有重疊覆蓋、切換不及時、漏配鄰小區(qū)、室分外泄、過覆蓋等。一般情況下弱覆蓋的影響最大，可細分為缺站、基站未開通等問題。外部干擾也會導致SINR的嚴重惡化。
對于下行SINR，在OMC網絡性能指標中并沒有輸出，LTE網絡結構分析平臺ASOS根據專利算法，實現全網絡的下行SINR的計算和輸出，對網絡結構優(yōu)化將會起到巨大推動作用。
4 LTE重疊覆蓋分析方法
不同小區(qū)間的高重疊覆蓋會引起干擾，干擾的程度會在SINR中體現，進而影響下載速率。將重疊覆蓋和SINR以及下載速率進行關聯分析，得出重疊覆蓋對網絡結構的影響程度。
在重疊覆蓋分析中，通常會采用掃頻數據，對于SINR，采用路測數據，兩者通過柵格化的分析方向進行關聯分析。重疊覆蓋對SINR的影響非常明顯，6dB范圍內的重疊信號數越多，其平均SINR值與最大SINR估計值越低，在重疊覆蓋度為1的情況下，平均SINR為12.78dB，每增加一個重疊覆蓋小區(qū)，SINR下降40%以上。
【關鍵詞】超深基坑，排樁內支撐支護結構，優(yōu)化設計
隨著城市化進程的快速發(fā)展，城市有限的地上空間越來越不能滿足城市發(fā)展的需要，開發(fā)城市地下空間成為解決這一矛盾的重要途徑。另一方面，隨著建筑高度的不斷增加，建筑基礎的埋置深度也在不斷的增加?；庸こ坛霈F兩個明顯的趨勢：基坑深度越來越大，工程環(huán)境越來越復雜。基坑環(huán)境保護的要求在不斷的提高，同時基坑失效事故所帶來的危害也越來越嚴重。如何確保在城市密集的建成區(qū)深基坑工程的施工安全和環(huán)境安全成為工程技術人員必須面對的課題。
本文結合青島海景公寓深基坑支護設計方案，對巖土層開挖超深基坑中排樁內支撐支護結構進行優(yōu)化設計研究。
1工程介紹
1.1工程概況。擬建工程場區(qū)位于青島市香港東路南側，國家級旅游勝地―――青島市老人海水浴場以北，青島啤酒城正南。設計單位提供的擬建物特征：地上30層，高99.80 m；地下4層，層高3.9 m～5.1m，層總高12.20m。現場自然地坪高-0.25m。平面尺寸為66m×45m。基坑東側多為2層，7層磚混結構，距用地紅線最近約為5.0m?；幽蟼群臀鱾染鶠榇u混建筑結構，基坑北側主要為道路和市政管線，用地紅線距香港東路紅線最近約為15.4m
1.2工程地質與水文地質條件。本場區(qū)內地形平坦，位于濱海平原地貌單元，第四系較發(fā)育?；幼陨隙乱来未┰剿靥钔?、粉砂、淤泥質粉砂、粉質黏土、粗砂、粉質黏土、角礫，基地位于強風化巖層。支護體系的選用要遵循安全、經濟、方便施工及因地制宜的總原則。一般要綜合考慮場地條件、基坑開挖深度和范圍、地質條件以及地下水情況等幾個方面做出選擇。根據本工程地層地質情況和周圍環(huán)境要求，初步擬定圍護方案為排樁內支撐支護結構：鉆孔灌注樁的直徑為1 200mm，樁間距為1 500mm，樁長23.4m，自上而下分別在標高-2.65m，-6.50m，-10.40m，-15.50m處設置四道支撐。
2排樁內支撐支護結構優(yōu)化設計方法研究
目前內支撐體系結構計算方法主要分為三類：簡化計算方法、平面整體分析和空間整體分析。本文中采用的是平面整體分析的方法，即將支撐桿件、腰梁作為一個整體，視為一個平面體系，設置若干支座，借助大型有限元分析軟件SAP 2000進行分析，得出支撐體系的內力與變形，最終設計出各構件的截面。
利用SAP2000對內支撐體系進行優(yōu)化設計，大體上分為以下幾步：
1）定義軸網類型。2）定義材料屬性和截面。本文研究的內支撐為現澆鋼筋混凝土支撐，支撐截面均為矩形。3）繪制構件。將每一層支撐看作一個平面桁架，選用線單元來模擬這一桁架。4）指定節(jié)點約束。分不同工況對該平面桁架施加約束。例如：兩鄰邊約束、對邊約束等。5）荷載工況。在內支撐計算中考慮靜力荷載工況。6）分析工況。根據不同的節(jié)點約束，分不同工況對模型進行分析，得出不同工況下內支撐的內力，包括彎矩，剪力和軸向力。7）找出最不利情況下的內力，對支撐體系進行結構設計。
3A―A剖面結構設計計算
3.1排樁體系設計計算
根據前面提出的排樁內支撐體系的結構優(yōu)化設計方法，以基坑東側A―A剖面為例，對排樁體系進行結構計算?？紤]工況，分段采用等值梁法計算排樁內力和各道支撐力，計算結果見表2。
表2 等值梁法計算結果
工況工況一工況二工況三工況四
Mmax/kN?m 173.0 324.5 658.0 986.0
T/kN 109.3 149.9 514.2 643.3
按各工況求得的墻上彎矩作出彎矩包絡圖，計算排樁配筋，計算結果見表3，按求得的支撐力設計各道支撐和圍檁。
表3 排樁體系設計參數
參數樁徑/mm樁長/m嵌固深度/m受力主筋箍筋
A―A 1 200 24.6 4標高10.4 m范圍內：2828標高24.6 m范圍內：323220@1 500
3.2內支撐體系的設計計算
內支撐系統(tǒng)由四道平面支撐和立柱組成。每道支撐包括環(huán)梁、腰梁和支撐桿。不同地質剖面計算求出的支撐系統(tǒng)需要提供的支護抗力是不同的，設計支撐系統(tǒng)時按所需最大支護抗力計算，第一，二道取N=353kN/m，第三，四道取N=571 kN/m，支護抗力較小側將由基坑外側的被動土壓力平衡。
根據約束條件的不同，分四種不同支撐條件對支撐體系進行分析：1）X向兩鉸：即沿X方向在環(huán)梁的兩端設置固定支座；2）兩鄰邊固定1：將支撐體系的南側與西側的支座設置為固定支座；3）兩鄰邊固定2：將支撐體系的北側與東側的支座設置為固定支座；4）全鉸：將環(huán)梁的約束全部設置為固定支座。通過對計算結果分析比較得出：1）在X向雙鉸的支撐條件下，環(huán)梁的彎矩最大，支撐桿件的軸力最大；2）在將支撐體系的南側與西側的支座設置為固定支座的支撐條件下，腰梁的彎矩最大。在內支撐體系中，支撐桿件和環(huán)梁是主要的控制構件，因此考慮選用第一種支撐條件下各構件的最不利內力組合來對各構件進行截面和配筋計算。
