本書系統地介紹了機械結構動態回響最佳化方法，包括並行最佳化、基於時間譜元法的機械系統物理模型求解、多元模型自適應與時間譜元法結合的動態回響最佳化技術、基於MARS的動態回響最佳化算法、基於模糊聚類的全局動態回響最佳化算法等。
基本介紹
- 書名：基於仿真模型的動態回響最佳化方法
- 出版社：電子工業出版社
- 頁數：217頁
- 開本：16
- 品牌：電子工業出版社
- 作者：毛虎平
- 出版日期：2014年3月1日
- 語種：簡體中文
- ISBN：7121182858
基本介紹,內容簡介,作者簡介,圖書目錄,序言,
基本介紹
內容簡介
《基於仿真模型的動態回響最佳化方法》內容較為豐富，具有較強的前沿性和可操作性，可供從事機械系統或結構動態回響分析和最佳化設計方面的工程師參考，也可作為研究生或高年級本科生動態回響最佳化課程的參考教材。
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回響最佳化。
圖書目錄
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動態回響最佳化6
1.2.2基於仿真的最佳化研究概況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章動態回響最佳化問題的並行化處理17
2.1動態回響最佳化算法的並行化17
2.1.1SQP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動態回響並行最佳化過程23
2.2.1並行平台23
2.2.2動態回響並行最佳化實現24
2.3實例分析27
2.4本章小結32
第3章基於時間譜元法的動態回響最佳化算法33
3.1譜元法33
3.1.1瞬態和穩態分析34
3.1.2全部狀態變數的全局組裝和求解36
3.2逐步譜元法37
3.2.1線性動力學方程的逐步時間譜元法38
3.2.2線性結構動態回響方程及其轉化形式38
3.2.3時間分段及單元劃分39
3.2.4單元分析39
3.2.5集成總體時間譜元方程及求解41
3.3初始條件41
3.4基於時間譜元法的動態回響最佳化41
3.5實例分析42
3.5.1動態回響分析42
3.5.2動態回響最佳化47
3.6本章小結83
第4章多元模型自適應與時間譜元法結合的動態回響最佳化84
4.1時間譜元法86
4.1.1結構動力學方程及其轉化形式87
4.1.2單元劃分87
4.1.3單元分析88
4.1.4集成總體時間譜元方程並求解88
4.2元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（CriticalPointsSetMethod，CPSM）90
4.3.2元模型混合自適應最佳化依賴於時間的約束91
4.4算例分析92
4.4.1汽車懸架系統動態回響最佳化設計問題一92
4.4.2汽車懸架系統動態回響最佳化設計問題二94
4.5結論96
4.6本章小結97
第5章基於MARS的動態回響最佳化算法98
5.1回響面方法98
5.1.1多項式98
5.1.2MARS99
5.2基於MARS的最佳化技術103
5.2.1最佳化問題103
5.2.2近似概念103
5.2.3基於MARS的動態最佳化策略104
5.3實例分析113
5.3.1Hesse函式113
5.3.2階梯懸臂樑截面設計113
5.3.3變截面懸臂樑形狀最佳化設計116
5.3.4線性兩自由度減振器最優設計120
5.3.5汽車懸架系統動態回響最佳化設計124
5.4本章小結130
第6章基於模糊聚類的全局動態回響最佳化算法131
6.1模糊數學方法131
6.1.1模糊集的概念132
6.1.2模糊分類關係133
6.1.3模糊聚類134
6.2模糊C均值聚類136
6.3模糊聚類全局仿真最佳化算法137
6.3.1Kriging元模型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動態回響最佳化問題的並行化處理程式155
附錄B基於時間譜元法的動態回響最佳化算法程式159
附錄C多元模型自適應與時間譜元法結合的動態最佳化177
附錄DMARS的動態回響最佳化算法187
附錄E基於模糊聚類的全局動態回響最佳化算法200
參考文獻210
1.1研究目的和意義3
1.2國內外研究概況5
1.2.1動態回響最佳化6
1.2.2基於仿真的最佳化研究概況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章動態回響最佳化問題的並行化處理17
2.1動態回響最佳化算法的並行化17
2.1.1SQP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動態回響並行最佳化過程23
2.2.1並行平台23
2.2.2動態回響並行最佳化實現24
2.3實例分析27
2.4本章小結32
第3章基於時間譜元法的動態回響最佳化算法33
3.1譜元法33
3.1.1瞬態和穩態分析34
3.1.2全部狀態變數的全局組裝和求解36
3.2逐步譜元法37
3.2.1線性動力學方程的逐步時間譜元法38
3.2.2線性結構動態回響方程及其轉化形式38
3.2.3時間分段及單元劃分39
3.2.4單元分析39
3.2.5集成總體時間譜元方程及求解41
3.3初始條件41
3.4基於時間譜元法的動態回響最佳化41
3.5實例分析42
3.5.1動態回響分析42
3.5.2動態回響最佳化47
3.6本章小結83
第4章多元模型自適應與時間譜元法結合的動態回響最佳化84
4.1時間譜元法86
4.1.1結構動力學方程及其轉化形式87
4.1.2單元劃分87
4.1.3單元分析88
4.1.4集成總體時間譜元方程並求解88
4.2元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（CriticalPointsSetMethod，CPSM）90
4.3.2元模型混合自適應最佳化依賴於時間的約束91
4.4算例分析92
4.4.1汽車懸架系統動態回響最佳化設計問題一92
4.4.2汽車懸架系統動態回響最佳化設計問題二94
4.5結論96
4.6本章小結97
第5章基於MARS的動態回響最佳化算法98
5.1回響面方法98
5.1.1多項式98
5.1.2MARS99
5.2基於MARS的最佳化技術103
5.2.1最佳化問題103
5.2.2近似概念103
5.2.3基於MARS的動態最佳化策略104
5.3實例分析113
5.3.1Hesse函式113
5.3.2階梯懸臂樑截面設計113
5.3.3變截面懸臂樑形狀最佳化設計116
5.3.4線性兩自由度減振器最優設計120
5.3.5汽車懸架系統動態回響最佳化設計124
5.4本章小結130
第6章基於模糊聚類的全局動態回響最佳化算法131
6.1模糊數學方法131
6.1.1模糊集的概念132
6.1.2模糊分類關係133
6.1.3模糊聚類134
6.2模糊C均值聚類136
6.3模糊聚類全局仿真最佳化算法137
6.3.1Kriging元模型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動態回響最佳化問題的並行化處理程式155
附錄B基於時間譜元法的動態回響最佳化算法程式159
附錄C多元模型自適應與時間譜元法結合的動態最佳化177
附錄DMARS的動態回響最佳化算法187
附錄E基於模糊聚類的全局動態回響最佳化算法200
參考文獻210
序言
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式。為了提升機器的動態性能，動態最佳化是非常必要的，然而當前動態最佳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，傳統的機械結構最佳化幾乎都是靜態最佳化，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，套用經典最佳化算法最佳化，難以解決動態載荷作用下機器性能最佳的問題；其次，即便進行動態最佳化，也只是直接進行最佳化，從而造成因動態分析的複雜性和高耗時性而產生極慢收斂，甚至發散的現象。鑒於此，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最佳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最佳化理論與方法。
結構動態回響最佳化是為實現機械系統或機械結構在動態載荷作用下，其性能或結構動態回響達到最佳或最大回響最小，其目標是實現對機械系統單一或組合的物理模型，或者結構有限元模型進行快速、高效和準確的最優設計。與傳統的動態最佳化不同的是，本書作者從並行最佳化、機械系統物理模型求解，以及處理與時間相關的約束三個方面出發，並考慮動態回響最佳化本質，系統地研究了結構動態回響最佳化，從而快速、高效和準確地實現了機械系統或結構動態回響最佳化。
產品的動態回響最佳化是產品建模和仿真的最終目的。動態回響最佳化是指基於機械系統或結構的仿真的參數最佳化，對機械系統物理模型或結構的有限元模型，採用相關的最佳化搜尋算法進行求解的一整套方法。基於仿真的動態回響最佳化最重要的特點是在最佳化疊代過程中需要通過仿真求解來完成目標函式和約束的估值，而傳統的最佳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，加上動態回響仿真分析的複雜性和高耗時性，使得傳統的最佳化方法雪上加霜。
本書章節安排如下：第1章對基於仿真的動態回響最佳化方法及其相關技術進行概述；第2章從最佳化並行化的角度考慮動態回響最佳化問題；第3章介紹基於時間譜元法的動態回響最佳化方法，包括機械系統物理模型的建立，時間譜元法的模型轉化，以及處理與時間相關的約束等；第4章介紹多元模型自適應與時間譜元法結合的動態回響最佳化，包括多元模型自適應最佳化算法原理、算法實現、如何與時間譜元法混合，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的動態回響最佳化算法，包括MARS回響面的建立、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回響最佳化算法，包括模糊聚類理論、Kriging元模型的建立及全局動態回響搜尋的方法。
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空間譜元離散關鍵點方法及其在結構動態回響最佳化中的套用”（資助號：51275489）、山西省基礎研究計畫——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，在此一併表示衷心的感謝！
動態回響最佳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。
作者
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式。為了提升機器的動態性能，動態最佳化是非常必要的，然而當前動態最佳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，傳統的機械結構最佳化幾乎都是靜態最佳化，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，套用經典最佳化算法最佳化，難以解決動態載荷作用下機器性能最佳的問題；其次，即便進行動態最佳化，也只是直接進行最佳化，從而造成因動態分析的複雜性和高耗時性而產生極慢收斂，甚至發散的現象。鑒於此，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最佳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最佳化理論與方法。
結構動態回響最佳化是為實現機械系統或機械結構在動態載荷作用下，其性能或結構動態回響達到最佳或最大回響最小，其目標是實現對機械系統單一或組合的物理模型，或者結構有限元模型進行快速、高效和準確的最優設計。與傳統的動態最佳化不同的是，本書作者從並行最佳化、機械系統物理模型求解，以及處理與時間相關的約束三個方面出發，並考慮動態回響最佳化本質，系統地研究了結構動態回響最佳化，從而快速、高效和準確地實現了機械系統或結構動態回響最佳化。
產品的動態回響最佳化是產品建模和仿真的最終目的。動態回響最佳化是指基於機械系統或結構的仿真的參數最佳化，對機械系統物理模型或結構的有限元模型，採用相關的最佳化搜尋算法進行求解的一整套方法。基於仿真的動態回響最佳化最重要的特點是在最佳化疊代過程中需要通過仿真求解來完成目標函式和約束的估值，而傳統的最佳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，加上動態回響仿真分析的複雜性和高耗時性，使得傳統的最佳化方法雪上加霜。
本書章節安排如下：第1章對基於仿真的動態回響最佳化方法及其相關技術進行概述；第2章從最佳化並行化的角度考慮動態回響最佳化問題；第3章介紹基於時間譜元法的動態回響最佳化方法，包括機械系統物理模型的建立，時間譜元法的模型轉化，以及處理與時間相關的約束等；第4章介紹多元模型自適應與時間譜元法結合的動態回響最佳化，包括多元模型自適應最佳化算法原理、算法實現、如何與時間譜元法混合，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的動態回響最佳化算法，包括MARS回響面的建立、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回響最佳化算法，包括模糊聚類理論、Kriging元模型的建立及全局動態回響搜尋的方法。
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空間譜元離散關鍵點方法及其在結構動態回響最佳化中的套用”（資助號：51275489）、山西省基礎研究計畫——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，在此一併表示衷心的感謝！
動態回響最佳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。
作者
