OptiStruct拓扑优化技术在飞机结构设计中的应用Application of Topology Optimization Technology OptiStruct in Designing of the Aircraft Structure
郭琦
(中航飞机西安飞机分公司，陕西西安，710089)
【摘要】随着优化技术在飞机结构设计中的深入应用，传统的结构设计方法已发生了改变。本文介绍了优化技术的设计理论和方法，运用有限元分析和优化工具OptiStruct对飞机某结构接头进行拓扑优化分析，并验证其强度和刚度都满足设计要求。说明拓扑优化能在产品概念设计阶段寻求最佳的设计方案，对缩短产品设计研发周期和提高产品质量有着重要的意义。关键词：有限元分析拓扑优化 OptiStruct 结构分析
Abstract:w ith the further application of optimization technique in designing of the aircraft structure, the structure design method of traditional already change. This paper introduces the design theory and method of optimization Technology, use of the finite element analysis and optimization tool OptiStruct to topology optimization of a certain connector structure, and verify its strength and stiffness meet the design requirements. Explain the topology optimization is helpful to seek the best design scheme in the conceptual phase of products, and have important significance for reduce the product design cycle and improve the quality of products.
Key words: Finite element analysis, Topology optimization, OptiStruct, Structure optimization
1引言
结构优化技术是当前CAE技术发展的一个热点，其已被广泛应用到各工业领域[1]。尤其是在航空领域，其结构零件的设计不仅要满足苛刻的功能要求，还要满足最小化重量要求。这就要考虑在结构零件设计的各个阶段进行各种优化技术，力求满足结构零件的各项性能指标。在概念设计阶段运用拓扑优化选择结构零件的最佳传力路线或最优的材料分布，在初步设计阶段运用形状优化选择结构零件的位置和几何形状，在详细设计阶段运用尺寸优化选择结构零件的最优尺寸和参数。
OptiStruct就是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化工具，拥有先进的、全面的优化方法，能够解决大多数的工程优化问题。本文针对飞机某结构接头，基于OptiStruct
进行了拓扑优化设计，并对优化后的方案进行了静强度仿真分析。
2 优化技术概述
2.1 结构优化理论
结构优化是根据结构的形式、材料、受载情况和设计所要求的各种约束条件，如强度、刚度、稳定、构造要求等，提出优化的数学模型并求解，以获得最佳的静力或动力等性态特征的结构设计方法。结构优化的数学模型包含设计变量、目标函数和约束条件。
设计变量：对于结构优化设计，设计方案是用一组数学参数来表达的。这些参数中，除了已经给定的已知量，还有一些是需要在设计过程中确定的，这就是设计变量。设计变量是在优化过程中发生改变从而提高性能的一组参数，它是用来描述设计方案特征的独立变量。设为i x 。
U i i L i x x x ≤≤ （1）
目标函数：目标函数是满足设计要求的最优设计性能，是关于设计变量的函数。
),......,,()]([min i 21x x x f x f = （2）
约束条件：在优化设计中，每个设计变量都是有约束条件的。只有满足所有约束条件的设计方案才是可行方案。
a x g j ≤)( m
j ,......,3,2,1= （3） b x h k =)( l k ,......,3,2,1= （4）
上述表达式中，i 21,......,,x x x x =是设计变量；上脚标L 是下限；上脚标U 是上限；)(x f 是目标函数；)(x g 是不等式约束函数；)(x h 是等式约束函数。
2.2 拓扑优化理论
结构优化方法主要分为拓扑优化、形状优化和尺寸优化等。拓扑优化是根据设计空间、设计目标、设计约束和加工制造条件等信息求解出一个不仅满足设计约束，而且达到各方面性能最优的设计方案，主要目的是在特定载荷作用下获得设计空间内的最强的载荷路径，从而找到零件最优的材料分布。拓扑优化包括连续拓扑和离散拓扑，连续拓扑优化的方法包括均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法和水平集方法等，离散拓扑优化的方法包括遗传基因法等。本文采用变密度法进行飞机某结构接头的拓扑优化。
变密度法的基本思想是对单元i 的满材料密度0ρ引入一个关于参数)1，0(∈i x 的函数
)(i x f 以便得到新的中间密度[2]：
0i )(ρρi x f = n ,...,2,1=i x （4）
若i ρ不为零，则该单元的材料存在，若i ρ为零，则该单元的材料不存在。
为了在材料的弹性模量和单元相对密度之间建立起一种显式的非线性对应关系，引入惩罚因子p ，)(i x f 就是一个关于惩罚因子的函数。惩罚因子的作用是当)(i x f 的值在（0，1）之间时，对中间密度值进行惩罚，使中间密度值逐渐向0/1两端聚集，这样可以使连续变量的拓扑优化模型能够很好地逼近原来0-1离散变量的优化模型[3]。优化求解后单元中间密度为1（或者靠近1）表示该单元位置处的材料很重要，需要保留；单元中间密度为0（或靠近0）表示该单元处的材料不重要，可以去除，从而达到材料的高效率利用，实现轻量化设计[4]。
2.3 拓扑优化的设计流程
利用OptiStruct 软件进行飞机某结构接头拓扑优化的设计流程为：
a) 在CATIA 中建立接头的几何模型，并导入HyperMesh 中。
b) 在HyperMesh 中建立有限元模型，并设置载荷和边界条件。
c) 设置拓扑优化参数，包括定义优化设计变量及设计空间（可设计区域）；定义用于评
测目标函数和约束条件的结构响应；定义优化设计约束和目标。
d) 运行Optistruct 进行拓扑优化迭代分析。
e) 验证结果。
具体拓扑优化的流程如图1所示。
图1 拓扑优化分析流程
3飞机接头的拓扑优化设计
考虑到接头与其它零件的装配关系，把接头的拓扑优化有限元模型分为设计区域与非设计区域两部分，对设计区域进行优化设计，使材料在此空间内进行重新分布，从而达到减重和改善力学性能的目的，对于非设计区域，其结构形式与外形均不改变，以保证接头的可装配性不变。设计区域与非设计区域如图2所示，其中绿色部分为设计区域，紫色部分为非设计区域。
3.1仿真软件
采用Altair的HyperMesh软件进行前处理，OptiStruct进行求解，HyperView进行后处理。
3.2有限元模型
在HyperMesh中，根据初始模型的尺寸，合理划分有限元网格。单元大小初选10mm，均为六面体单元HEX8。建立材料为30CrMnSiA的材料和属性卡片，并将材料赋予属性，属性赋予存储网格的components。接头的约束施加在接头右侧的非设计区域。载荷施加在接头上的两处耳片连接孔处，为了准确反映结构受力和实际的受载情况，在连接孔周围将所有的节点通过RBE3连接在一起，接头所承受的力施加在RBE3单元的主节点上，从而通过耳片传递到接头上。接头承受的力的大小为27KN。如图2所示，有限元模型的网格单元数为47531，网格节点数为55291。
3.3优化要素
设计变量：可设计区域的结构材料，即有限元分析中单元的密度。考虑到接头加工的工艺性，还增加了最小尺寸和零件的对称性要求。
优化目标：可设计区域的重量最轻。
约束条件：载荷处的最大位移不大于2.5mm。
约束
载荷
非设计区域
设计区域
图2 拓扑优化有限元模型图3 拓扑优化结果
3.4 优化结果
在HyperMesh-Analysis-OptiStruct 中提交计算，得到接头的拓扑优化的结果如图3所示。从优化结果来看，可设计区域的有的部位变薄，有的部位被挖空，而这样的材料分布符合应力的流向。
4 优化后接头的静强度分析
根据拓扑优化结果，运用CATIA 对接头的几何模型进行修改，修改后的模型如图4所示。
图4优化后的CA TIA 模型 图5优化后的有限元模型
4.1 有限元模型
接头优化后的有限元模型如图5所示。单元类型采用六面体单元HEX8，单元尺寸为5mm 。整个有限元模型的网格单元数为85950，网格节点数为73601。其余诸如材料属性、约束和载荷等参数的设置均与拓扑优化有限元模型的设置相同。
4.2 计算结果
在HyperMesh-RADIOSS 中提交计算，计算完成后，运用HyperView 查看计算结果。优化后接头应力分布云图如图6所示，接头上的最大应力为93.51MPa ，且应力分布均匀。优化后接头变形云图如图7所示，接头的最大变形为1.745mm ，发生在接头的承载力最大的部位。
接头的材料为30CrMnSiA ，抗拉强度M P a b 1080=σ，结合强度校核公式[5]104.1051
.9315.1108015.1b
>=?=?=v σση（公式中1.15为接头系数），接头满足强度设计要求。同时，接头的最大变形符合设计初始要求。
1.745mm
93.51MPa
图6 优化后接头应力云图图7 优化后接头变形云图
5结论
此次优化分析的目的在于减重，运用拓扑优化技术使材料在设计区域根据传力路线重新分布，设计出的零件的力学性能得到了很大的改善。
同时，OptiStruct拓扑优化技术能够为设计人员提供结构概念性设计方法，缩短了产品研发的周期，提高设计工程人员的设计水平和工作效率。
6参考文献
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基于拓扑优化的车身结构研究 瞿元王洪斌张林波吴沈荣 奇瑞汽车股份有限公司，安徽芜湖，241009 摘要：随着CAE技术的发展，虚拟仿真技术在汽车开发中的作用也愈来愈显著。而前期工程阶段，如何布置出合理的车身骨架架构，一直是个相对空白的地带，也是整车正向开发过程中绕不过的坎。尽管研发工程师根据经验，参照现有车型的结构特点，也能进行车身骨架架构的设定，但总是缺乏有效手段直观地反映不同车型结构布置的特点。本文用拓扑优化的方法，从结构基本特征的角度来审视这一问题，并运用该方法对某SUV车身结构进行研究，获得一些直观性的结论。 关键词：车身,前期工程,拓扑优化 1引言 随着对整车研发过程认识的加深，以及对正向开发过程的探索，在车型开发前期，对车身结构做出更合理的规划显得愈来愈重要。常规的研发思路之一是通过参考已有车型的结构，经过适当的修改，形成新的结构，并用于新车型中。但是对于原始车型的设计思路、结构布置的原因等缺乏系统的理解，或者理解不深，往往在更改过程中产生新的问题。为了部分解决上述问题，本文从结构拓扑优化的角度，对某SUV 车型车身结构的总体布置进行初步探讨，以期加深对结构布置的理解。 2研究方法概述 合理化的车身结构，是满足整车基本性能的重要保障。为了能够实现结构的最优布置，文献[1]使用了拓扑优化工具来布置车身结构。其基本思路是从造型以及车内空间布置出发，建立车身空间的基础网格模型，然后根据一定的工况要求，对基础网格进行拓扑分析，并根据拓扑结果建立梁、板壳模型，并进行多项性能的优化，从而实现车身结构的正向开发。本文借助于该思想，建立研究对象的结构空间包络，并对该包络进行拓扑分析，然后将仿真结果与原始结构进行比较，寻找车身结构中的关键点，推测初始结构可能的布置思想，从而加深对该研究思路的理解。其基本过程如下图所示：
提要 本文首先介绍了国内外拓扑优化技术的研究发展现状，讨论了拓扑优化的 原理、方法以及各种拓扑优化算法。其次，着重研究了SIMP 材料插值方法，建立了基于SIMP 理论的连续体结构拓扑优化模型，选取准则优化法对其密 度迭代格式进行了推导；并且利用MATLAB软件编程实现，有效地进行了平面结构的分析和拓扑优化设计。然后，分析了拓扑优化中的数值计算不稳定性现象，研究了能够有效消除拓扑优化中的数值计算不稳定性现象的各种解决方法，并对其进行了比较。最后，利用连续体结构拓扑优化求解理论和算法，使用结构有限元分析软件Hyperworks 对具体工程结构部件进行了拓扑优化设计研究，成功地应用到了实际工程问题中，算例结果表明了该优化方法的有效性和正确性。 关键词：有限元拓扑优化材料插值模型数值计算不稳定性优化 求解算法 Key words: FEA Topology optimization Material Interpolation Model Numerical Calculation Instabilities Optimization Solution Algorithm-i- 目录 第一章绪论 (1) 1.1 前言 (1) 1.2 国内外拓扑优化研究概况 (3) 1.3 本文研究内容及意义 (9) 第二章现代结构拓扑优化理论 (11) 2.1 拓扑的概念 (11) 2.1.1 拓扑学的由来 (11) 2.1.2 拓扑学及拓扑性质 (13) 2.2 结构拓扑优化原理和方法 (16) 2.2.1 拓扑优化的基本原理 (17) 2.2.2 结构拓扑优化设计方法 (17) 2.2.3 拓扑优化设计方法比较 (21) 2.3 拓扑优化设计的优化算法概述 (22) 2.3.1 优化算法分类 (22) 2.3.2 拓扑优化常用算法 (24) 第三章连续体结构拓扑优化的模型建立与求解算法 (27) 3.1 连续体结构拓扑优化设计的模型描述 (29) 3.2 数学模型的有限元离散 (34) 3.2.1 单元应变和应力.........................................34吉林大学硕士研究生学位论文-ii- 3.2.2 单元平衡方程 (35) 3.2.3 连续体结构拓扑优化的数学模型的有限元离散形式 (38) 3.3 基于SIMP 理论的优化准则法 (39) 第四章结构拓扑优化程序实现 (45) 4.1 基于SIMP 理论的优化准则法迭代分析流程 (45) 4.2 优化过程的MA TLAB 编程实现 (47) 4.3 计算实例 (48)
结构优化课程设计 学院土木学院 专业工程力学 班级1001
学号100120118 姓名崔亚超
总结结构优化设计的原理、方法及发展趋势 崔亚超 工程力学1001班学号100120118 摘要：阐述了工程结构优化设计理论从最初的截面优化发展到形状优化、拓扑优化的基本历程及其相关特点，对优化设计选用的各种算法进行归类，并简述结构优化设计的发展趋势。 关键词：尺寸优化；形状优化；拓扑优化；优化算法 Summary structural optimization design principles, methods and development trends Abstract:The structural optimization of engineering design theory from the initial cross-section to optimize the development of shape optimization, topology optimization of the basic course and its related characteristics, the optimum design on the range of algorithms are classified, and to outline the development trend of structural optimization design . Key words:size optimization; shape optimization; topology optimization; optimization algorithm 0 引言 结构优化设计的目的在于寻求既安全又经济的结构形式，而结构形式包括了关于尺寸、形状和拓扑等信息I对于试图产生超出设计者经验的有效的新型结构来说，优化是一种很有价值的工具，优化的目标通常是求解具有最小重量的结构B同时必须满足一定的约束条件，以获得最佳的静力或动力等性态特征。 集计算力学、数学规划、计算机科学以及其他工程学科于一体的结构优化设计是现代构设计领域的重要研究方向。它为人们长期所追求最优的工程结构设计尤其是新型结构设计提供了先进的工具，成为近代设计方法的重要内容之一。 结构优化设计也使得计算力学的任务由被动的分析校核上升为主动的设计与优化，由此结构优化也具有更大的难度和复杂性。它不仅要以有限元等数值方法作为分析手段，而且还要进一步计算结构力学性态的导数值。它要面向工程设计中的各种实际问题建立优化设计模型，根据结构与力学的特点对数学规划方法进行必要的改进。因此，结构优化设计是一综合性、实用性很强的理论和技术。 目前，结构优化设计的应用领域已从航空航天扩展到船舶、桥梁、汽车、机械、水利、建筑等更广泛的工程领域，解决的问题从减轻结构重量扩展到降低应力水平、改进结构性能和提高安全寿命等更多方面。 由于结构优化设计给工程界带来了经济效益及近年来有限元研究和应用的相对成熟，计算机条件的进一步改善和普及，人们对结构优化设计的研究和应用的呼声更高了。无论国内还是国外，对这一现代技术的需求都有增长的趋势。随着设计技术的更新和产品竞争的加剧，结构优化设计将会有更大的发展。
结构拓扑优化的发展现状及未来 王超 中国北方车辆研究所一、历史及发展概况 结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，它在计算结构力学中已经被认为是最富挑战性的一类研究工作。目前有关结构拓扑优化的工程应用研究还很不成熟，在国外处在发展的初期,尤其在国内尚属于起步阶段。1904 年Michell在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念。自1964 年Dorn等人提出基结构法,将数值方法引入拓扑优化领域，拓扑优化研究开始活跃。20 世纪80 年代初，程耿东和N. Olhoff在弹性板的最优厚度分布研究中首次将最优拓扑问题转化为尺寸优化问题，他们开创性的工作引起了众多学者的研究兴趣。1988年Bendsoe和Kikuchi发表的基于均匀化理论的结构拓扑优化设计，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局面。1993年和提出了渐进结构优化法。1999年Bendsoe和Sigmund证实了变密度法物理意义的存在性。2002 年罗鹰等提出三角网格进化法，该方法在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。 二、拓扑优化的工程背景及基本原理 通常把结构优化按设计变量的类型划分成三个层次：结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化。尺寸优化和形状优化已得到充分的发展，但它们存在着不能变更结构拓扑的缺陷。在这样的背景下，人们开始研究拓扑优化。拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。寻求一个最佳的拓扑结构形式有两种基本的原理：一种是退化原理，另一种是进化原理。退化原理的基本思想是在优化前将结构所有可能杆单元或所有材料都加上，然后构造适当的优化模型，通过一定的优化方法逐步删减那些不必要的结构元素,直至最终得到一个最优化的拓扑结构形式。进化原理的基本思想是把适者生存的生物进化论思想引入结构拓扑优化，它通过模拟适者生存、物竞天择、优胜劣汰等自然机理来获得最优的拓扑结构。 三、结构拓扑优化设计方法 目前常使用的拓扑优化设计方法可以分为两大类：退化法和进化法。 退化法即传统的拓扑优化方法，一般通过求目标函数导数的零点或一系列迭代计算过程求最优的拓扑结构。目前常用于拓扑优化的退化法有基结构方法、均匀化方法、变密度法、变厚度法等。 基结构方法（GSA）的思路是假定对于给定的桁架节点，在每两个节点之间用杆件连结起来得到的结构称为基结构。按照某种规则或约束,将一些不必要的杆件从基本结构中删除，认为最终剩下的构件决定了结构的最佳拓扑。基结构方法更适合于桁架和框架结构的拓扑优化。基结构法是在有限的子空间内寻优，容易丢失最优解，另外还存在组合爆炸、解的奇异性等问题。 均匀化方法（HA）引入微结构的单胞，通过优化计算确定其材料密度分布，并由此得出最优的拓扑结构。均匀化方法主要应用于连续体的拓扑优化设计，它不仅能用于应力约束和位移约束，也能用于频率约束。目前用均匀化方法来进行拓扑优化设计的有一般弹性问题、热传导问题、周期渐进可展曲面问题、非线性热弹性问题、振动问题和骨改造问题等。 变密度法是一种比较流行的力学建模方式，与采用尺寸变量相比，它更能反映拓
结构拓扑优化的组合准则及应用 丁繁繁* 郭兴文 (河海大学工程力学系,江苏,南京,210098) 摘要：本文研究了拓扑相关荷载作用下连续体结构拓扑优化设计问题，探讨了ESO 方法中单独应用最大拉应变准则或主应力准则来删除单元的问题,提出了基于主压应力删除准则与最大拉应变删除准则的组合优化删除准则,给出了组合准则的迭代步骤.依据所提准则与迭代步骤, 应用Ansys 分析软件对一受拓扑相关径向均布荷载作用的连续体进行了拓扑优化设计,获得了相应的最优拓扑结构,算例表明,本文提出的组合优化法可以消除单一应力删除准则在优化过程中出现的迭代波动问题,能加快拓扑优化的收敛速度. 关键词:拓扑优化, 拓扑相关荷载, 主应力准则, 最大拉应变准则，组合准则 1.前言 结构拓扑优化设计是目前结构优化设计领域最赋有挑战性的研究课题,近十几年来，随着科学技术的进步, 结构拓扑优化设计得到了迅速的发展. 有关结构拓扑优化设计的最新发展,文献以综述的形式作了详细的叙述.连续体结构拓扑优化方法主要有均匀化法、两相法、内力法、变厚度法、变密度法、人工材料、渐进结构优化法及线性规划法等。其中渐进结构优化法(简称ESO)是通过一定的删除准则，将无效或低效的材料逐步去掉,结构将逐渐趋于优化。该方法可采用已有的有限元分析软件,通过迭代过程在计算机上实现,该法的通用性很好。 ESO 法最早是由澳大利亚华裔学者谢忆民于1993年提出来的。随后得到了荣见华等人的发展，成功应用于包含应力、位移（刚度）、临界应力和动力学约束的众多结构拓扑优化领域。基于主应力的ESO 法考虑了实际材料在拉、压应力方面的特性差异，特别适用于一些拉压性质明显的建筑类型，例如桥梁工程，从而改进了ESO 法的工程适用性。 ]4~1[]5[目前,连续体结构拓扑优化研究主要集中在荷载作用位置及作用方向不变情况下的结构拓扑优化问题，而对于荷载作用位置变动情况下的连续体结构拓扑优化研究刚刚起步. ]6[本文研究了荷载位置随拓扑变化而变化作用下的连续体结构拓扑优化问题，该连续体结构是一混凝土受压结构。优化过程中在进行尝试使用不同删除准则的基础上,提出了基于主压应力删除准则与最大拉应变删除准则的组合优化删除准则.依据提出的组合优化删除准则, 应用Ansys 分析软件对一受径向均布荷载作用简支的矩形初始构型进行了拓扑优化设计, 获得了相应的最优拓扑结构,算例表明,本文提出的组合优化法可以消除单一应力删除准则https://www.doczj.com/doc/7e782087.html,
3188-1-1.html Sigmund教授所编写的top优化经典99行程序，可以说是我们拓扑优化研究的基础； 每一个新手入门都会要读懂这个程序，才能去扩展，去创新； 99行程序也有好多个版本，用于求解各种问题，如刚度设计、柔顺机构、热耦合问题，但基本思路大同小异； 本文拟对其中的一个版本进行解读，愿能对新手有点小小的帮助。 不详之处，还请论坛内高手多指点 读懂了该程序，只能说是略懂拓扑优化理论了， 我手里就有一些水平集源程序是成千上万行，虽然在99行的基础上成熟了很多，但依然还有很多的发展空间。 源程序如下： %%%% A 99 LINE TOPOLOGY OPTIMIZATION CODE BY OLE SIGMUND, JANUARY 2000 %%% %%%% CODE MODIFIED FOR INCREASED SPEED, September 2002, BY OLE SIGMUND %%% function top(nelx,nely,volfrac,penal,rmin); nelx=80; nely=20; volfrac=0.4; penal=3; rmin=2; % INITIALIZE x(1:nely,1:nelx) = volfrac; loop = 0; change = 1.; % START ITERATION while change > 0.01 loop = loop + 1; xold = x; % FE-ANAL YSIS [U]=FE(nelx,nely,x,penal); % OBJECTIVE FUNCTION AND SENSITIVITY ANAL YSIS [KE] = lk; c = 0.; for ely = 1:nely for elx = 1:nelx n1 = (nely+1)*(elx-1)+ely; n2 = (nely+1)* elx +ely; Ue = U([2*n1-1;2*n1; 2*n2-1;2*n2; 2*n2+1;2*n2+2; 2*n1+1;2*n1+2],1); c = c + x(ely,elx)^penal*Ue'*KE*Ue; dc(ely,elx) = -penal*x(ely,elx)^(penal-1)*Ue'*KE*Ue; end end
建筑结构设计的优化方法及应用分析 在建筑造价中，结构造价的比例非常大。因此，研究建筑结构设计的优化方法并将其应用于实践具有非常积极的现实意义。文章分析了建筑结构设计的优化方法和应用。 标签：建筑结构设计；优化；方法；应用 引言：伴随我国建筑业的快速发展，对建筑设计进行优化也是设计者的一个重要研究课题。为了解决建筑面积与土地面积的矛盾，建筑本身的性质与理论知识与实际情况之间的矛盾，优化了建筑结构。 1、建筑结构设计优化的内容及意义 建筑结构的优化主要体现在两个方面。一是建筑工程整体结构的优化设计；二是建筑工程局部结构的优化设计。其中，局部结构优化设计的目标主要包括以下几个方面：基本结构方案、屋面系统方案、围护结构方案、结构细节等。当对上述目标进行优化时，往往涉及到选择、受力分析和成本分析。总之，在优化建筑结构设计过程中，不仅要严格执行设计规范，而且要充分结合施工项目的具体情况，从而最终提高建筑工程的综合经济效益。建筑结构优化的重要性主要是两点，一是提高建筑工程的安全性和可靠性，二是降低建筑工程的总造价。通过对比分析发现，在适当的应用下，建筑结构设计优化方法能最大限度地降低建筑工程总造价30%。通过优化方法的有效应用，一方面可以最大限度地提高材料的性能，另一方面可以为实际的规划执行提供一系列有用的工作。 2、建筑结构设计的优化方法 2.1概念设计优化 建筑结构的概念设计是设计者将自己的理论知识和设计要求和建筑环境结合起来设计建筑结构。在设计时，应考虑许多非唯一的数值和不可预测的不可抗拒因素。例如，在设计建筑物时，需要考虑其抗震性能。地震不能通过预测和针对性的设计发生，所以在设计中，应加强地震多发区域内每一栋建筑物的抗震性能，尤其要注意建筑物的抗震性能，是设计优化的这些因素的设计优化的概念。 2.2模型设计优化 在优化设计概念后，还应优化模型的结构。首先，在设计变量的选择中，需要选择的变化内容越来越少，但作为参考标准的基本价值，减少了优化设计的难度，提高了设计的可靠性；其次，针对较大的接触因素，建立相应的功能结构设计和分析，降低建筑成本，减少错误概率的设计，加强建筑整体性优化，减少设计和施工工作的工作量；第三是衡量建筑结构的工作条件，工作环境通常是复杂多变的，具体的建设需要考虑的各个部分稳定、结构应力极限，整体结构刚性和
升降辊床连杆摇臂结构拓扑优化设计 升降辊床作为一种新型输送设备，具有高速、稳定、易于维护等优点，在各汽车焊装车间得到了广泛应用。文章对辊床连杆摇臂结构进行动力学分析，在此基础上针对摇臂结构进行结构拓扑优化，改善机构应力应变并提升疲劳寿命。 标签：升降辊床;摇臂结构;有限元;拓扑优化;疲劳寿命 引言 “冲压、焊装、油漆和总装”被称为当代汽车制造的四大工艺[1]，在上汽大众仪征工厂焊装车间，焊接工艺种类多达8至10种，用来转运车身的工艺生产线多达12条，拥有德国KUKA自动化机械臂800多台，工艺过程极其复杂，工位数量繁多。基于曲柄连杆摇臂结构的Siemens高速输送升降辊床的大量应用，极大地提高了生产节拍，使生产线实现了柔性生产，产能得到大幅度提高[2]。 1 辊床结构及动力学分析 本文以西门子公司11-0908-1200系列升降辊床为研究对象，主要参数如表1所示。升降辊床主要由底座、升降机構、水平输送辊床和控制系统四大部分组成，实现其升降功能的是一个典型的多连杆机构，并可拆分为两个四杆机构，即前半部分为曲柄连杆摇臂机构[3-4]，后半部分为平行四杆机构，因此，在运动学分析计算中可以忽略后半部分的平行四杆机构，仅分析前半部分的曲柄连杆摇臂机构[5]（图1）。 为了解曲柄连杆摇臂机构在其运动周期内各构件的受力情况，在Adams软件中创建升降辊床曲柄连杆摇臂动力学仿真模型，施加辊床框架及雪橇、车身的重力负载为13000N，直接作用在前后摇臂上，受力方向始终竖直向下，经求解，后摇臂受到来自连杆的峰值拉力为17588N，在升降辊床从低位向高位运行过程中，摇臂克服负载力并将其向上举升，拉力从峰值开始逐渐降低为0N。 2 辊床有限元仿真分析 对辊床连杆结构进行有限元分析。摇臂的制造原材料为Q235B，建立摇臂模型并导入到ANSYS软件中，网格划分后共得到47478个节点、19295个单元。连杆与后摇臂相连的铰接转动副-单孔摇臂关节轴承处，其转动副处最大受力为17588N，选取此瞬态时刻，对后摇臂进行静力学分析，施加负载、约束后进行计算，得到其应力、应变分析结果情况如图2所示。 通过分析发现，在主轴中部轴颈与曲柄连接处是应力集中最严重的部位，从有限元分析结果可以看出，最大应力为91.36MPa，虽然小于摇臂材料的屈服强度235MPa，但这些应力集中部位极易出现疲劳裂纹，直至机械失效损坏，该分析结果与摇臂在实际生产作业中发生的断裂故障一致。
编号：SY-AQ-00556 ( 安全管理) 单位：_____________________ 审批：_____________________ 日期：_____________________ WORD文档/ A4打印/ 可编辑 连续体结构拓扑优化方法及存 在问题分析 Topology optimization method of continuum structure and analysis of existing problems
连续体结构拓扑优化方法及存在问 题分析 导语：进行安全管理的目的是预防、消灭事故，防止或消除事故伤害，保护劳动者的安全与健康。在安全管理的四项主要内容中，虽然都是为了达到安全管理的目的，但是对生产因素状态的控制，与安全管理目的关系更直接，显得更为突出。 文章深入分析国内外连续体结构拓扑优化的研究现状，介绍了拓扑优化方法的发展及实现过程中存在的问题。对比分析了均匀化方法，渐进结构优化法，变密度法的优缺点。研究了连续体结构拓扑优化过程中产生数值不稳定现象的原因，重点讨论了灰度单元，棋盘格式，网格依赖性的数值不稳定现象，并针对每一种数值不稳定现象提出了相应的解决办法。 结构拓扑优化设计的主要对象是连续体结构，1981年程耿东和Olhof在研究中指出：为了得到实心弹性薄板材料分布的全局最优解，必须扩大设计空间，得到由无限细肋增强的板设计。此研究被认为是近现代连续体结构拓扑优化的先驱。 目前，国内外学者对结构拓扑优化问题进行了大量研究，这些
研究大多数建立在有限元法结构分析的基础上，但由于有限元法中单元网格的存在，结构拓扑优化过程中常常出现如灰度单元，网格依赖性和棋盘格等数值不稳定的现象。本文介绍了几种连续体结构拓扑优化方法及每种方法存在的问题，并提出了相应的解决办法。 1.拓扑优化方法 连续体结构拓扑优化开始于1988年Bendoe和Kikuchi提出的均匀化方法，此后许多学者相继提出了渐进结构优化方法、变密度法等拓扑优化数学建模方法。 1.1.均匀化方法 均匀化方法即在设计区域内构造周期性分布的微结构，这些微结构是由同一种各向同性材料实体和孔洞复合而成。采用有限元方法进行分析，在每个单元内构造不同尺寸的微结构，微结构的尺寸和方向为拓扑优化设计变量。1988年Bendsoe研究发现，通过在结构中引入具有空洞微结构的材料模型，将困难的拓扑设计问题转换为相对简单的材料微结构尺寸优化问题。 很多学者发展了均匀化方法，Suzhk进行了基于均匀化方法结
结构拓扑优化设计现状及前景 目前, 最优化设计理论和方法在机械结构设计中得到了深入的研究和广泛的应用。所谓优化设计就是根据具体的实际问题建立其优化设计的数学模型, 并采用一定的最优化方法寻找既满足约束条件又使目标函数最优的设计方案。根据优化问题的初始设计条件, 目前结构优化技术有四大领域: 1) 尺寸优化; 2) 形状优化; 3) 拓扑与布局优化; 4) 结构类型优化。结构尺寸优化是在结构的拓扑确定的前提下, 首先用少量尺寸对结构的某些变动进行表达, 如桁架各单元的横截面尺寸、某些节点位置的变动等, 然后在此基础上建立基于这些尺寸参数的数学模型并采用优化方法对该模型进行求解得到最优的尺寸参数。在尺寸优化设计中, 不改变结构的拓扑形态和边界形状, 只是对特定的尺寸进行调整, 相当于在设计初始条件中就增加了拓扑形态的约束。而结构最初始的拓扑形态和边界形状必须由设计者根据经验或实验确定, 而不能保证这些最初的设计是最优的, 所以最后得到的并不是全局最优的结果。结构形状优化是指在给定的结构拓扑前提下, 通过调整结构内外边界形状来改善结构的性能。以轴对称零件的圆角过渡形状设计的例子。形状设计对边界形状的改变没有约束,和尺寸优化相比其初始的条件得到了一定的放宽,应用的范围也得到了进一步的扩展。拓扑优化设计是在给定材料品质和设计域内,通过优化设计方法可得到满足约束条件又使目标函数最优的结构布局形式及构件尺寸。拓扑设计的初始约束条件更少, 设计者只需要提出设计域而不需要知道具体的结构拓扑形态。拓扑设计方法是一种创新性
的设计方法, 能为我们提供一些新颖的结构拓扑。目前, 拓扑设计理论在柔性受力结构、MEMS 器件及其它柔性微操作机构的设计中得到了广泛的研究。 结构拓扑优化的发展概况 结构拓扑优化包括离散结构的拓扑优化和连续变量结构的拓扑优化。近10 年来, 结构拓扑优化设计虽然取得了一些进展, 但大部分是针对连续变量的, 关于离散变量的研究为数甚少。由于离散变量优化的目标函数和约束函数是不连续、不可微的, 可行域退化为不连通的可行集, 所以难度远大于连续变量优化问题。在离散结构中, 桁架在工程中的应用较为广泛, 由于其重要性, 也由于其分析比较简单, 桁架结构的拓扑优化在文献中研究得最多. 结构拓扑优化的历史可以追溯到1904 年Michell提出的桁架理论, 但这一理论只能用于单工况并依赖于选择适当的应变场, 不能应用于工程实际。1964 年Dorn、Gomory、Greenberg 等人提出基结构法( ground structure approach) , 将数值方法引入该领域, 此后拓扑优化的研究重新活跃起来, 陆续有一些解析和数值方面的理论被 提出来。所谓基结构就是一个由结构节点、荷载作用点和支承点组成的节点集合, 集合中所有节点之间用杆件相连的结构。该方法的基本思路是: 从基结构的模型出发, 应用优化算法( 数学规划法或准则法) , 按照某种规划或约束, 将一些不必要的杆件从基结构中删除, 例如截面积达到零或下限的杆件将被删掉, 并认为最终剩下的杆件 决定了结构的最优拓扑。因此应用基结构, 可以将桁架拓扑优化当作
如何利用ANSYS进行拓扑优化 前言 就目前而言，利用有限元进行优化主要分成两个阶段： （1）进行拓扑优化，明确零件最佳的外形、刚度、体积，或者合理的固有频率，主要目的是确定优化的方向； （2）进行尺寸优化，主要目的是确定优化后的的零件具体尺寸值，通常是在完成拓扑优化之后，再执行尺寸优化。 在ANSYS中，利用拓扑优化，可以完成以下两个目的： （1）在特定载荷和约束的条件下，确定零件的最佳外形，或者最小的体积（或者质量）； （2）利用拓扑优化，使零件达到需要的固有频率，避免在使用过程中产生共振等不利影响。 本文主要就在ANSYS环境中如何执行拓扑优化进行说明。
1、利用ANSYS进行拓扑优化的过程 在ANSYS中，执行优化，通常分为以下6个步骤： 、定义需要求解的结构问题 对于结构进行优化分析，定义结构的物理特性必不可少，例如，需要定义结构的杨氏模量、泊松比（其值在～之间）、密度等相关的结构特性方面的信息，以供结构计算能够正常执行下去。
、选择合理的优化单元类型 在ANSYS中，不是所有的单元类型都可以执行优化的，必须满足如下的规定： （1）2D平面单元：PLANE82单元和PLANE183单元； （2）3D实体单元：SOLID92单元和SOLID95单元； （3）壳单元：SHELL93单元。 上述单元的特性在帮助文件中有详细的说明，同时对于2D单元，应使用平面应力或者轴对称的单元选项。 、指定优化和非优化的区域 在ANSYS中规定，单元类型编号为1的单元，才执行优化计算；否则，就不执行优化计算。例如，对于结构分析中，对于不能去除的部分区域将单元类型编号设定为≥2，就可以不执行优化计算，请见下面的代码片段：…… …… Et,1,solid92 Et,2,solid92 …… Type,1 Vsel,s,num,,1,2 Vmesh,all …… Type,2 Vsel,s,num,,3 Vmesh,all ……
建筑结构设计优化方法的研究应用 发表时间：2017-06-19T16:42:00.213Z 来源：《基层建设》2017年6期作者：郑学毅 [导读] 本文对建筑结构空间利用率的优化进行了重点探讨，对建筑结构优化的理念进行了阐释和延伸。 广东南雅建筑工程设计有限公司广东广州 515000 摘要：一个建筑要达到精美的效果，设计师需要把其美观设计与结构设计紧密结合起来。实现建筑结构设计优化是一个复杂而系统的过程，通常被归入综合决策的范畴。在实际优化环节，既要考虑实用性和安全性，又要考虑经济性，还应考虑整体效果，总之，要平衡各方面的关系。本文对建筑结构空间利用率的优化进行了重点探讨，对建筑结构优化的理念进行了阐释和延伸，希望能对类似工程建设提供一些借鉴和帮助。 关键词：建筑结构设计；优化；方法；应用 1.建筑结构设计优化的内容及意义 建筑结构设计优化主要体现在两个方面，一是对建筑工程总体结构进行优化设计，二是对建筑工程局部结构进行优化设计。其中，建筑工程局部结构的优化设计的对象主要包括以下几点：1）基础结构方案；2）屋盖系统方案；3）围护结构方案；4）结构细部等。对上述对象进行优化设计时，通常还会涉及选型、受力分析以及造价分析等诸多内容。总之，对建筑结构设计进行优化的过程中，不仅要严格依据设计规范执行，还应充分结合建筑工程的具体情况，最终提高建筑工程的综合经济效益。建筑结构设计优化的意义主要在于两点，一是提高建筑工程的安全性及可靠性，二是降低建筑工程的总造价。通过对比分析发现，建筑结构设计优化方法应用得当的情况下，能大幅降低建筑工程的总造价，最高可达30%。通过优化方法的有效应用，一方面能够最大限度体现物质的性能，另一方面能够为规划的实际执行提供一系列有用的参考资料。 2.建筑结构设计优化方法的应用步骤 2.1 建立结构设计优化模型 对建筑整体结构设计进行优化时，一般步骤如下：1）确定设计变量。所谓设计变量指的是可能会对建筑整体效果或者实用性产生影响的一系列参数，如目标控制函数（以整体建筑结构造价控制为代表），又或者约束控制参数（以整体建筑结构的可靠度控制为代表）等。在实际选取过程中，应对参数进行适当的精简，不对那些相关性较小的参数进行研究，如此一来，能够大幅降低模型的计算强度，同时有效减少编程的工作量；2）建立目标函数。目标函数主要包括两大方面，一是建筑的整体效果，二是建筑的整体实用性。寻找一组有效参量。这组参量既要满足建筑使用功能，又要符合既定的结构截面尺寸以及钢筋截面积。从而保证求得的目标函数值达到最优；3）定义约束条件。通常，建筑结构的约束条件涉及诸多内容，既包括建筑的可靠度约束、强度约束，又包括应力变形约束，还包括裂缝宽度约束等。在具体设计环节，应保证加入约束条件的考量之后，实际结构设计满足现行的设计规范，符合最优设计标准的相关要求。 2.2 优化设计方案的选择 通常情况下，有多种建筑结构设计优化方案可供选择。进行选择时，常常将基于可靠度的方案列为重点考虑对象。对该种方案进行实际计算时，既要面对关系错综复杂的多种变量，又要面对数量众多的约束条件，再加上它们都属于非线性问题，所以，在计算过程中，通常先要将其转化为无约束条件的线性问题，然后求解。在上述一系列计算过程中，通常可以采用如下两种优化计算方法：1）拉普拉斯算子法；2）复合形法。在选取具体算法的过程中，一方面要考虑算法的精度，另一方面要考虑算法的计算速率，总之，要对算法进行综合而全面的考虑，从而选定一个最佳的算法。 2.3 具体的程序设计 当确定具体的建筑结构设计优化方案之后，便会进入到具体的程序设计环节，即编制一个功能完备、运算速率良好、综合效果优异的计算程序。程序设计将会涉及诸多内容，其中最为主要的包括两大方面，一是工程指标的选取，二是建筑的功能需要。由于编程涉及广泛且内容繁复，本文不对其进行详细论述[6]。 2.4 结果分析 对计算结果进行分析是一个十分关键的过程，关系到整个设计优化的成与败，所以，在分析的过程中应保证考虑的全面性，主要包括以下几个方面：1）建筑结构的成本；2）建筑结构的实用性；3）建筑结构的整体空间效果。建筑结构是一项复杂而系统的工程，再加上耗资较大，所以，在设计优化的过程中，应站在整体的角度进行分析，无论是片面追求资金的节省，还是片面追求建筑实用性的增加都是不对的。总而言之，就是协调好技术和经济之间的关系，寻求二者之间的平衡，进而展开合理的优化[7]。 3.优化结构设计技术在实践中的应用方法 在设计好优化结构设计方案后，就可以将该理论方法应用于实践之中。结构设计的优化，是目前一个比较普遍的课题，要达到利用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的，将结构设计优化方法应用于实践之中，这是我们建筑工程设计人员所追求的目标。结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，下面就这几个方面进行详细描述。 3.1 参与结构设计优化的前期工作 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。 3.2 将概念设计和细部结构设计进行优化 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。 3.3 优化下部的地基基础结构设计 地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力
( 安全管理 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 连续体结构拓扑优化方法及存在问题分析(最新版) Safety management is an important part of production management. Safety and production are in the implementation process
连续体结构拓扑优化方法及存在问题分析 (最新版) 文章深入分析国内外连续体结构拓扑优化的研究现状，介绍了拓扑优化方法的发展及实现过程中存在的问题。对比分析了均匀化方法，渐进结构优化法，变密度法的优缺点。研究了连续体结构拓扑优化过程中产生数值不稳定现象的原因，重点讨论了灰度单元，棋盘格式，网格依赖性的数值不稳定现象，并针对每一种数值不稳定现象提出了相应的解决办法。 结构拓扑优化设计的主要对象是连续体结构，1981年程耿东和Olhof在研究中指出：为了得到实心弹性薄板材料分布的全局最优解，必须扩大设计空间，得到由无限细肋增强的板设计。此研究被认为是近现代连续体结构拓扑优化的先驱。 目前，国内外学者对结构拓扑优化问题进行了大量研究，这些
研究大多数建立在有限元法结构分析的基础上，但由于有限元法中单元网格的存在，结构拓扑优化过程中常常出现如灰度单元，网格依赖性和棋盘格等数值不稳定的现象。本文介绍了几种连续体结构拓扑优化方法及每种方法存在的问题，并提出了相应的解决办法。 1.拓扑优化方法 连续体结构拓扑优化开始于1988年Bendoe和Kikuchi提出的均匀化方法，此后许多学者相继提出了渐进结构优化方法、变密度法等拓扑优化数学建模方法。 1.1.均匀化方法 均匀化方法即在设计区域内构造周期性分布的微结构，这些微结构是由同一种各向同性材料实体和孔洞复合而成。采用有限元方法进行分析，在每个单元内构造不同尺寸的微结构，微结构的尺寸和方向为拓扑优化设计变量。1988年Bendsoe研究发现，通过在结构中引入具有空洞微结构的材料模型，将困难的拓扑设计问题转换为相对简单的材料微结构尺寸优化问题。 很多学者发展了均匀化方法，Suzhk进行了基于均匀化方法结构
第19卷 第3期应用力学学报Vol.19 No.3 2002年9月CHINESE JOURNAL OF APPL IE D MECHANICS Sep.2002 文章编号:100024939(2002)0320050204 结构拓扑优化设计的三角网格进化法Ξ 罗 鹰 段宝岩 (西安电子科技大学 西安 710072) 摘要:针对进化式拓扑优化方法的不足,提出了一种基于遗传算法的新型进化式拓扑优化方法—三角网格进化法,该方法不仅能够同时进行拓扑、形状与截面变量优化设计,而且在优化过程中实现了退化和进化的统一,提高了优化效率。另外本文还首次对结构类型变量进行了优化计算,取得了有益的结果。最后几个数值算例证明了本方法的可行性和有效性。 关键词:拓扑优化;进化法;类型优化;遗传算法 中图分类号:039TB121 文献标识码: A 1 引 言 工程结构拓扑优化方法可分为两类:退化法和进化法。退化法又可进一步分为基结构方法(ground structural approach)[1]和均匀化方法(ho2 mogenization method)[2],退化法的基本思想是在优化前将结构所有可能杆单元(对基结构方法而言)或所有材料(对均匀化方法而言)都加上,然后构造适当的优化模型,通过一定的优化方法逐步删减那些不必要的结构元素(杆单元及节点)或材料,直至最终得到一个最优化的拓扑结构形式。当然,在删减的同时也可能伴随着少量结构元素的再加入。进化法[3～6]正好与退化法相反,它是从另一个途径考虑问题。根据给定的固定节点与载荷,首先给出简单拓扑结构形式,然后通过一定的优化策略不断增加结构元素,直到获得最优的拓扑结构。K irsch[5,6]曾对此类方法进行过分析与展望,并且由William在1995年提出了自然生长方法[3],Mc Keown在1998年又提出了节点增加方法[4]。它们的不足之处在于,优化过程中,只有结构元素(包括杆单元和节点)的增加而不能够删减。另外,根据目前所掌握的文献看,结构类型变量优化还未被问津。本文利用遗传算法(G A)将结构类型也作为一类设计变量,对它进行了数学优化计算的尝试。 2 优化模型 本文讨论的是结构的整体优化问题,设计目标是使结构整体重量最轻(或体积最小),而约束条件包括应力约束以及各节点坐标位移约束。设计变量包括结构类型、拓扑、可动节点坐标以及单元截面积四种参数。由于遗传算法(G A)[5,7,8,9]不能直接处理结构优化中各设计变量,而必须将它们转换成遗传空间中由基因个体排列组成的染色体或个体。为此,引入以下几组参数: 211 结构类型参数αi 杆系结构的类型不仅有桁架、刚架(梁)结构,还有杆、梁组合结构(即结构中既有杆单元又有梁单元)。为此引入参数αi(i=1,2,…,N)分别代表结构中各单元的类型。其中,N表示结构单元数。其数学表达式为: α i = 0 单元i为杆单元 1 单元i为梁单元 (i=1,2,…,N) (1)结构的总刚度方程为: Ξ基金项目:国家自然科学基金项目(95635150) 来稿日期:2001202220 修回日期:2002202227第一作者简介:罗鹰,男,1970年生,西安电子科技大学机电工程学院博士生;研究方向:面向工程的广义优化1
浅谈建筑结构设计中优化技术的应用冯莹 摘要：传统民居及其建筑文化在建筑领域中占有极为重要非得位置，该种类型 的建筑是传统文化精髓的一种集中体现，见证了每个时代的人类与大自然之间的 和谐发展历程。因而当代建筑设计师，必须要有针对性的对我国传统民居建筑文 化中所蕴含的文化精髓及优势特点，展开全面详细的研究，才能有效推进传统民 居及其建筑文化基因与现代建筑能够共同发展。 关键词：建筑结构；设计；问题；应用 中图分类号：TU318 文献标识码：A 前言：在如今的建筑结构当中使用优化设计是非常常见的。同时，其也是能 够让建筑结构进行更新改造的一种方法，符合现在的发展水平和人们的需要的。 但是，在使用的过程当中，对于一些施工要点需要去引起注意。希望通过本文的 研究和分析，可以帮助相关人员对建筑结构优化设计有一个基础的了解。同时， 也希望能够促进我国建筑行业在未来能够持续健康发展。 1建筑结构设计方法的概述 对整体建筑设计进行完善的优化可以主要从两个方面进行：理论方面以及经 验方面。结构设计师通过对结构优化方法的学习，并且将其作为在实际的优化工 程中的理论基础，使得整体建筑得到优化，并且进一步完善建筑结构的细部设计。在进行实际的建筑设计优化过程中，应该以更加重视的态度进行实际的工作，并 且需要抓住整个建筑结构设计中的重点，对其重要的环节进行控制。以一个结构 设计优化的例子来说明，在进行实际的设计过程中，应该尽可能的使得其质量中 心和刚度中心重合，并且设计建筑图时，尽量使得其平面布置更加规整，从理论 上进行分析，所有合格的建筑结构都应该尽可能的满足这些要求。同时，为了使 整个结构的稳定性得到保障，需要对其承受荷载过程中的变形进行控制，保证其 水平荷载作用下的位移符合相关的设计标准。在进行竖向承重结构的布置过程中，应该尽可能的使得其竖向承重结构在一定程度上贯通。同时在进行实际的建筑结 构设计过程中，不仅需要对其结构的安全性以及稳定性进行考虑，同时还需要加 强对其经济性的考虑。因此为了使整个建筑的经济性得到保证，就需要尽可能的 减少对转换层的使用，减少刚度突变的部位，使整个建筑的变形协调一致. 2建筑结构优化设计的重要性 为了使结构在承受荷载以及正常使用的过程中表现更加优异，就需要对其结 构进行一定的优化。并且经过有效的结构优化之后，实用性以及美观性都能在一 定程度上得到较大的提升，建筑结构的工程造价也能更加准确的被估计。而建筑 设计不仅需要考虑到质量以及后期的业主的使用，还需要从开发商的角度进行考虑，开发商希望在实际的建设过程中利用最少的资金做到最多的事情，同时还需 要使其建筑本身的科学性以及安全性得到保障。 3优化设计的原则 1）安全性，城市的发展和科技的进步推动了房屋建筑技术的不断提升，并对结构设计提出了更多的要求。结构优化设计不仅可以降低工程投入，节约建设成本，更重要的是可以保证结构的安全性能。如果仅以节约资金投入作为结构优化 的判别依据，而不考虑结构的安全性，那么结构的优化将无任何价值和作用，并 且不能保证结构安全的优化设计也是行不通的，因此，安全性是设计人员结构优 化的根本原则和基础条件。 2）经济性，对建筑材料的优化使用是房屋设计经济性原则的主要方法，建筑