本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，尤其涉及一種含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法結(jié)合了數(shù)學規(guī)劃理論和力學分析方法，以計算機為工具，可以自動地優(yōu)化和改進結(jié)構(gòu)設計，并滿足各種條件限制，被廣泛應用于航空航天、汽車和建筑等領域，其潛在經(jīng)濟效益十分顯著，相關結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的研究己受到國內(nèi)外的高度重視。在工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，往往需要對不同方向上全局振動的頻率進行約束。但是，隨著設計變量的迭代變化，容易發(fā)生模態(tài)置換現(xiàn)象，使原來的頻率約束錯誤地附加到其他模態(tài)上。這種模態(tài)置換的反復出現(xiàn)，導致優(yōu)化問題不能收斂；即使能夠收斂，最后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)也是不可信的?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法無法解決上述模態(tài)置換的問題，因此，有必要設計一套新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng)，以克服上述問題。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種新的含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng)，以在發(fā)生模態(tài)置換現(xiàn)象時，自動識別目標模態(tài)，修改頻率約束，保證迭代過程的順利進行，避免模態(tài)置換。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法包括以下步驟：步驟S1，確定有限元模型和優(yōu)化模型，其中，初始的有限元模型和優(yōu)化模型按照初始設計的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立，并在優(yōu)化模型中添加全局模態(tài)頻率約束；步驟S2，對有限元模型進行模態(tài)分析；步驟S3，根據(jù)模態(tài)分析的分析結(jié)果搜尋全局模態(tài)頻率約束中指定的全局振動模態(tài)；步驟S4，若未搜尋到全局模態(tài)頻率約束中指定的所有自由度的全局振動模態(tài)，則增加模態(tài)分析求解階數(shù)，返回步驟S2重新進行模態(tài)分析；步驟S5，若搜尋到所有自由度的全局振動模態(tài)，采用所有自由度的全局振動模態(tài)更新優(yōu)化模型中的全局模態(tài)頻率約束；步驟S6，建立近似優(yōu)化問題；步驟S7，采用更新全局模態(tài)頻率約束后的優(yōu)化模型進行尋優(yōu)，其中，若近似優(yōu)化問題收斂，則停止尋優(yōu)，否則返回步驟S1，根據(jù)當前尋優(yōu)結(jié)果更新優(yōu)化模型的設計變量并修改有限元模型的對應結(jié)構(gòu)參數(shù)，以重新確定有限元模型和優(yōu)化模型。優(yōu)選地，步驟S2中模態(tài)分析的分析結(jié)果為每個自由度的多個模態(tài)的有效質(zhì)量分數(shù)；步驟S3具體為：判斷一個自由度的多個模態(tài)的有效質(zhì)量分數(shù)中是否存在一個或多個值大于預設的有效質(zhì)量分數(shù)閾值，若存在，則自由度的多個模態(tài)的有效質(zhì)量分數(shù)中的最大值對應的模態(tài)為全局振動模態(tài)。優(yōu)選地，步驟S6具體為：對有限元模型進行結(jié)構(gòu)分析和敏度分析；根據(jù)結(jié)構(gòu)分析和敏度分析的分析結(jié)果建立近似優(yōu)化問題。優(yōu)選地，步驟S1中建立的優(yōu)化模型的數(shù)學表達式為：minF(X)s.t.gj(X)≤0(j=1,2,...,m)xiL≤xi≤xiU(j=1,2,...;n)]]>其中，X＝{x1，x2，…，xn}T，xi為獨立的設計變量，F(xiàn)(X)和gj(X)分別表示目標函數(shù)和約束函數(shù)，m為總的約束個數(shù)，和是對應設計變量xi的上、下限。優(yōu)選地，約束函數(shù)為：gj(X)=1-flf‾l]]>其中，fl為第l個自由度上的全局振動模態(tài)頻率，為第l個自由度上的全局振動模態(tài)頻率的約束下限。優(yōu)選地，步驟S7中尋優(yōu)時采用二級多點逼近優(yōu)化算法。優(yōu)選地，該方法還包括：在停止尋優(yōu)之后，重新對有限元模型進行模態(tài)分析和后處理，以檢驗優(yōu)化結(jié)果是否滿足設計要求。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)包括以下模塊：有限元前后處理模塊，用于確定有限元模型和優(yōu)化模型，其中，初始的有限元模型和優(yōu)化模型按照初始設計的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立，并在優(yōu)化模型中添加全局模態(tài)頻率約束；結(jié)構(gòu)分析模塊，用于對有限元模型進行模態(tài)分析；模態(tài)識別模塊，用于根據(jù)模態(tài)分析的分析結(jié)果搜尋全局模態(tài)頻率約束中指定的全局振動模態(tài)，并采用搜尋到的所有自由度的全局振動模態(tài)更新優(yōu)化模型中的全局模態(tài)頻率約束；尋優(yōu)模塊，用于建立近似優(yōu)化問題，并對更新全局模態(tài)頻率約束后的優(yōu)化模型進行尋優(yōu)，其中，若近似優(yōu)化問題收斂，則停止尋優(yōu)；其中，結(jié)構(gòu)分析模塊還用于在模態(tài)識別模塊未搜尋到所有自由度的全局振動模態(tài)時，增加模態(tài)分析求解階數(shù)，重新進行模態(tài)分析；有限元前后處理模塊還用于在近似優(yōu)化問題不收斂時，根據(jù)當前尋優(yōu)結(jié)果更新優(yōu)化模型的設計變量并修改有限元模型的對應結(jié)構(gòu)參數(shù)，以重新確定有限元模型和優(yōu)化模型。優(yōu)選地，結(jié)構(gòu)分析模塊進行模態(tài)分析的分析結(jié)果為每個自由度的多個模態(tài)的有效質(zhì)量分數(shù)；模態(tài)識別模塊具體用于判斷一個自由度的多個模態(tài)的有效質(zhì)量分數(shù)中是否存在一個或多個值大于預設的有效質(zhì)量分數(shù)閾值，若存在，則自由度的多個模態(tài)的有效質(zhì)量分數(shù)中的最大值對應的模態(tài)為全局振動模態(tài)。優(yōu)選地，結(jié)構(gòu)分析模塊還用于對有限元模型進行結(jié)構(gòu)分析和敏度分析，以使尋優(yōu)模塊根據(jù)結(jié)構(gòu)分析和敏度分析的分析結(jié)果建立近似優(yōu)化問題。本發(fā)明通過一種含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法對建立的有限元模型進行模態(tài)分析和模態(tài)識別，以識別出全局振動模態(tài)，然后采用識別出的全局振動模態(tài)更新優(yōu)化模型的全局模態(tài)頻率約束，使優(yōu)化模型的全局模態(tài)頻率約束附加到正確的模態(tài)上，克服了優(yōu)化過程中模態(tài)置換現(xiàn)象導致的約束錯誤問題，保證優(yōu)化時迭代過程的順利進行，可以應用于各種工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。附圖說明圖1為本發(fā)明第一實施例所提供的含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的流程圖；圖2為本發(fā)明第二實施例所提供的含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的流程圖；圖3為本發(fā)明第三實施例所提供的含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)的框圖；圖4為本發(fā)明第三實施例所提供的含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)的工作流程示意圖。具體實施方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，在下面的具體實施方式中，將對本發(fā)明作進一步詳細的說明。第一實施例該實施例提供了一種含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，如圖1所示，該方法包括如下的步驟。步驟S1，確定有限元模型和優(yōu)化模型。該步驟中，在優(yōu)化初始，先按照初始設計的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立有限元模型和優(yōu)化模型，并在優(yōu)化模型中添加全局模態(tài)頻率約束；在優(yōu)化過程中，如果在步驟S7中尋優(yōu)時近似優(yōu)化問題不能收斂，則根據(jù)當前尋優(yōu)結(jié)果更新優(yōu)化模型的設計變量并修改有限元模型的對應結(jié)構(gòu)參數(shù)，重新確定有限元模型和優(yōu)化模型。步驟S2，對有限元模型進行模態(tài)分析。例如，調(diào)用現(xiàn)有的有限元分析軟件執(zhí)行模態(tài)分析。步驟S3，根據(jù)模態(tài)分析的分析結(jié)果搜尋全局模態(tài)頻率約束中指定的全局振動模態(tài)。一般來說，在一個自由度上，全局振動模態(tài)的有效質(zhì)量分數(shù)遠遠大于其他模態(tài)的有效質(zhì)量分數(shù)?；谶@一特性，在搜尋全局振動模態(tài)時，可根據(jù)分析結(jié)果中的有效質(zhì)量分數(shù)來確定全局振動模態(tài)。步驟S4，若未搜尋到全局模態(tài)頻率約束中指定的所有自由度的全局振動模態(tài)，則增加模態(tài)分析求解階數(shù)。為了避免任意模態(tài)的模態(tài)置換問題，在該實施例中，需要搜尋到所有自由度的全局振動模態(tài)，如果未搜尋到，需要在增加模態(tài)分析求解結(jié)束之后，返回上述步驟S2重新進行模態(tài)分析，然后步驟S3根據(jù)新的模態(tài)分析結(jié)果進行搜尋。由此，可以識別出各個自由度上的全局振動模態(tài)分別位于哪一階。步驟S5，若搜尋到所有自由度的全局振動模態(tài)，采用所有自由度的全局振動模態(tài)更新優(yōu)化模型中的全局模態(tài)頻率約束。在該步驟中，根據(jù)識別出來的結(jié)果更新全局模態(tài)頻率約束，使優(yōu)化模型的全局模態(tài)頻率約束附加到正確的模態(tài)上。步驟S6，建立近似優(yōu)化問題。以建立的近似優(yōu)化問題作為尋優(yōu)迭代過程的收斂條件。步驟S7，采用更新全局模態(tài)頻率約束后的優(yōu)化模型進行尋優(yōu)。其中，若近似優(yōu)化問題收斂，則停止尋優(yōu)，得到的尋優(yōu)結(jié)果作為優(yōu)化解雇進一步檢驗結(jié)構(gòu)設計是否滿足要求。否則，也即近似優(yōu)化問題未收斂時，返回步驟S1，根據(jù)當前尋優(yōu)結(jié)果更新優(yōu)化模型的設計變量并修改有限元模型的對應結(jié)構(gòu)參數(shù)，以重新確定有限元模型和優(yōu)化模型，后續(xù)步驟S2至步驟S7完成重新尋優(yōu)的過程。采用該實施例提供的方法，對建立的有限元模型進行模態(tài)分析和模態(tài)識別，以識別出全局振動模態(tài)，然后采用識別出的全局振動模態(tài)更新優(yōu)化模型的全局模態(tài)頻率約束，使優(yōu)化模型的全局模態(tài)頻率約束附加到正確的模態(tài)上，克服了優(yōu)化過程中模態(tài)置換現(xiàn)象導致的約束錯誤問題，保證優(yōu)化時迭代過程的順利進行。第二實施例在上述第一實施例的基礎上，該第二實施例提供了一種含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的優(yōu)選實施例，如圖2所示，該方法包括的步驟詳細說明如下。1)根據(jù)初始設計方案，建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，并建立優(yōu)化模型，添加全局模態(tài)頻率約束，其中，優(yōu)化模型的數(shù)學表達式為：minF(X)s.t.gj(X)≤0(j=1,2,...;m)xiL≤xi≤xiU(j=1,2,...,n)]]>其中，X＝{x1，x2，…，xn}T，xi為獨立的設計變量，該設計變量指具體設計結(jié)構(gòu)的參數(shù)，例如梁的橫截面尺寸或者板殼的厚度等。F(X)和gj(X)分別表示目標函數(shù)和約束函數(shù)，m為總的約束個數(shù)，和是對應設計變量xi的上、下限。以航天器總體設計過程為例，各個自由度上一階全局振動模態(tài)的頻率(如一階縱向或者橫向振動的頻率)往往要求比較嚴格。因此，優(yōu)化模型中的約束函數(shù)可表示為gj(X)=1-flf‾l]]>其中fl為第l個自由度上的全局振動模態(tài)頻率，為對應的約束下限。2)確定有效質(zhì)量分數(shù)閾值，用以搜尋全局振動模態(tài)。一般來說，在一個自由度上，全局振動模態(tài)的有效質(zhì)量分數(shù)遠遠大于其他模態(tài)的有效質(zhì)量分數(shù)?？紤]到實際計算一般不太可能分析得到所有模態(tài)的有效質(zhì)量分數(shù)而尋找最大值，該實施例通過設定一個閾值以區(qū)分可能是全局振動的模態(tài)，該閾值一般為經(jīng)驗值。優(yōu)選地，如果一個自由度的多個模態(tài)的有效質(zhì)量分數(shù)中存在一個或多個值大于有效質(zhì)量分數(shù)閾值，則取其中最大值對應的模態(tài)為全局振動模態(tài)。3)調(diào)用有限元分析軟件執(zhí)行模態(tài)分析，得到當前設計點下的模態(tài)有效質(zhì)量分數(shù)信息。分析結(jié)束后，根據(jù)分析結(jié)果搜尋約束中指定的全局振動模態(tài)。具體地，采用上述有效質(zhì)量分數(shù)閾值進行搜尋。4)判斷是否找到所有需要約束的全局振動模態(tài)，也即全局模態(tài)頻率約束中指定的所有自由度的全局振動模態(tài)。若是，則更新約束，執(zhí)行下述步驟5)；否則，增加模態(tài)分析求解階數(shù)，返回步驟3)再次進行模態(tài)分析；5)進行結(jié)構(gòu)分析和敏度分析，以建立近似優(yōu)化問題，供尋優(yōu)程序求解。6)優(yōu)化模型采用預定的優(yōu)化算法進行優(yōu)化，檢查近似問題是否收斂。若是，則停止，進行后處理；否則，根據(jù)當前尋優(yōu)結(jié)果更新設計變量，修改對應結(jié)構(gòu)參數(shù)，更新有限元模型和優(yōu)化模型，返回步驟3)重新進行模態(tài)分析。近似問題收斂得到優(yōu)化結(jié)果之后，重新對有限元模型進行模態(tài)分析，并進行后處理，以檢驗優(yōu)化結(jié)果是否滿足要求。該實施例提供的含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，基于有效質(zhì)量分數(shù)進行模態(tài)識別，具有計算量少、易于使用的優(yōu)點，可以應用到各種工程結(jié)構(gòu)的設計過程中，以獲得最優(yōu)方案，縮短設計周期，節(jié)約成本。第三實施例如圖3和4所示，該實施例提供了一種含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)，包括有限元前后處理模塊、結(jié)構(gòu)分析模塊、模態(tài)識別模塊和尋優(yōu)模塊四個模塊。各個模塊之間通過PCL(PatranCommandLanguage)環(huán)境下編寫的框架程序相互協(xié)調(diào)和對接。有限元前后處理模塊采用Patran軟件，作為整個優(yōu)化系統(tǒng)的工作平臺。模型的前后處理也在該軟件中完成。結(jié)構(gòu)分析模塊采用Nastran軟件，鑒于其和Patran環(huán)境兼容性最佳，用于執(zhí)行必要的模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)分析和敏度分析，得到相關的結(jié)果信息用于尋優(yōu)。模態(tài)識別模塊用于自動提取模態(tài)分析結(jié)果文件中的模態(tài)有效質(zhì)量分數(shù)信息，由此可以識別出各個自由度上的全局振動模態(tài)位于哪一階。并根據(jù)識別出來的結(jié)果，更新優(yōu)化模型的全局模態(tài)頻率約束，使其附加到正確的模態(tài)上。尋優(yōu)模塊為基于二級多點逼近優(yōu)化算法，采用Fotran語言開發(fā)。該模塊的輸入信息包括設計變量值、目標函數(shù)和約束函數(shù)的當前值、敏度信息以及尋優(yōu)控制參數(shù)；尋優(yōu)之后，會自動修改文件中儲存的設計變量值，以供后續(xù)的迭代使用。在優(yōu)化時，先通過有限元前后處理模塊建立有限元模型和優(yōu)化模型，然后調(diào)用結(jié)構(gòu)分析模塊進行模態(tài)分析，模態(tài)識別模塊讀取分析結(jié)果，識別全局模態(tài)后更新約束條件，之后結(jié)構(gòu)分析模塊執(zhí)行必要的結(jié)構(gòu)分析和敏度分析，供尋優(yōu)模塊尋優(yōu)求解，如果結(jié)果滿足收斂條件，則停止，否則返回有限元前后處理模塊更新設計變量和結(jié)構(gòu)參數(shù)，進行下一次循環(huán)。本申請中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，包括模態(tài)識別和約束更新的步驟，保證優(yōu)化模型的全局模態(tài)頻率約束附加到正確的模態(tài)上，因而能夠解決優(yōu)化過程中模態(tài)置換現(xiàn)象導致的約束錯誤問題，使得優(yōu)化時迭代過程的順利進行。對于前述的各方法實施例，為了簡單描述，故將其都表述為一系列的動作組合，但是本領域的技術(shù)人員應該知悉，本發(fā)明并不受所描述的動作順序的限制，因為根據(jù)本發(fā)明，某些步驟可以采用其他順序或同時執(zhí)行；其次，本領域技術(shù)人員也應該知悉，上述方法實施例均屬于優(yōu)選實施例，所涉及的動作和模塊并不一定是本發(fā)明所必須的。對于前述的各系統(tǒng)實施例，為了簡單描述，故將其都表述為一系列的模塊組合，但是本領域的技術(shù)人員應該知悉，本發(fā)明并不受所描述的模塊組合的限制，因為根據(jù)本發(fā)明，某些模塊可以采用其他模塊執(zhí)行；其次，本領域技術(shù)人員也應該知悉，上述系統(tǒng)實施例均屬于優(yōu)選實施例，所涉及的模塊并不一定是本發(fā)明所必須的。本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。對于系統(tǒng)實施例而言，由于其與方法實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上對本發(fā)明所提供的一種含全局振動模態(tài)識別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng)進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本發(fā)明的限制。當前第1頁1 2 3