工程结构优化设计方法与应用

本书分为两部分，第一部分为结构优化设计的基本理论与方法。在这一部分中，讨论了结构优化设计的数学模型，并重点论述了结构优化设计数学模型的特点及其与一般非线性规划问题的不同之处。在此基础上，讨论了基于准则法的结构优化设计、离散变量结构优化设计、结构拓扑优化设计、结构多目标优化设计。由于有关数学规划方法的书籍和资料很多，因此这一部分内容注重结构优化设计基本概念和基本方法的讨论，而不过多去讨论数学规划方法。第二部分结合ANSYS软件，讨论应用结构分析和结构优化设计软件进行工程结构优化设计的方法。这一部分包括ANSYS结构分析基础、基于APDL脚本的结构优化技术和基于ANSYS Workbench的结构优化技术，另外结合作者的研究工作，介绍了基于二次开发的载货车车架结构参数化建模和优化设计系统。
本书可作为工科相关专业的研究生及高年级本科生教材，也可作为工程技术人员学习结构优化设计理论及ANSYS软件应用技术的参考书。

柴山，山东理工大学工学的博士、教授，主要从事结构优化及系统动力仿真方面的研究工作。 尚晓江，工学博士，安世亚太公司技术经理，主要从事结构数值仿真及ANSYS软件的技术支持和咨询工作。刚宪约，1977年10月出生，山东理工大学副教授。2002年获得大连理工大学工程力学专业工学硕士学位；2005年获得浙江大学机械工程专业工学博士学位；2009-2011年在吉林大学博士后流动站、中通客车博士后工作站从事大客车结构优化与碰撞安全性研究；2012年在美国Cincinnati大学的结构动力学研究实验室（UC-SDRL）从事访学研究，2014年在西北工业大学飞行器结构力学与强度技术国防重点学科实验室从事访学研究。先后主持省部级项目4项，发表论文30余篇，出版译著《试验结构动力学》、专著《车辆结构有限元分析》，主持山东省精品课程《汽车振动与噪声》。

第1章结构优化设计的概念1
1.1结构1
1.2结构设计2
1.3结构优化设计3
1.4结构优化设计的研究、应用概况5
1.5结构优化设计软件7
第2章结构优化设计的数学模型8
2.1设计变量、目标函数、约束条件8
2.2可行域、可行集、目标函数等值面14
2.3结构优化设计的特点15
2.4几种解决方案15
第3章基于准则法的结构优化设计25
3.1满应力准则25
3.2满位移准则法41
3.3能量准则48
第4章离散变量结构优化设计52
4.1概述52
4.2离散变量优化问题的可行集与很优解53
4.3离散变量结构优化设计的特点57
4.4离散变量结构优化设计的一维斐波那契搜索算法61
4.5离散变量结构优化设计的序列二级算法68
4.6离散变量结构优化设计的相对差商法69
第5章结构拓扑优化设计95
5.1概述95
5.2杆系结构的结构拓扑优化设计96
5.3连续体的结构拓扑优化设计111
第6章结构多目标优化设计124
6.1多目标优化设计的概念124
6.2多目标优化算法126
工程结构优化设计方法与应用目录6.3结构多目标优化设计132
第7章ANSYS结构分析基础134
7.1ANSYS结构分析的理论背景134
7.2ANSYS结构分析模型的构建141
7.3ANSYS结构分析要点及例题149
第8章基于Mechanical APDL的结构优化方法166
8.1基于 APDL语言的参数化有限元分析166
8.2基于Mechanical APDL的参数优化方法171
8.3Mechanical APDL参数优化例题188
第9章基于Workbench的结构优化技术199
9.1ANSYS Workbench参数管理及设计优化技术概述199
9.2参数相关性、DOE与响应面技术202
9.3目标驱动优化（GDO）技术及应用216
9.4形状优化技术及应用239
第10章基于ANSYS二次开发的载货车车架结构参数化建模和优化设计系统实例243
10.1基于ANSYS二次开发的载货车车架参数化建模系统243
10.2基于ANSYS二次开发的载货车车架轻量化设计系统252
附录A数学规划方法259
A.1数学规划概述259
A.2一维搜索方法260
A.3无约束优化方法262
A.4约束优化方法266
参考文献269