计算智能在机械结构优化设计中的应用

【摘要】：本文以火炮的轻量化为工程背景，研究了计算智能的基本原理和方法，并将其应用于某火炮下架的结构优化设计。 用板单元(Shell)、梁单元(Beam)耦合的方法建立了箱型下架结构的有限元模型，并对模型进行适当的简化处理，提取特征参数，在Patran环境下编程实现了结构的参数化建模； 将遗传算法与参数化技术相结合，对下架结构进行了尺寸优化和形状优化。针对具体问题构造出适应度评价函数，用罚函数法处理约束，通过设计合理、高效的遗传算子，设定算法运行的控制参数等，增强了遗传算法的全局搜索能力。遗传算法的应用有效地降低了结构的应力水平和重量； 在遗传算法对下架结构进行尺寸、形状优化的基础上，用ESO方法进行了拓扑优化，通过逐渐去除结构中的低应力材料，改善结构的传力路径，进一步减轻了结构的重量。采用B-Spline方法对结构的边界进行了光滑处理； 利用BP神经网络的非线性映射能力，训练得到了下架结构响应与设计变量之间的神经网络映射模型，并将其作为近似分析工具取代有限元分析过程应用于下架的结构优化。结果表明，应用这种方法不仅可以得到满意的优化结果，而且极大地减少了优化过程中用于结构重分析的时间。