优化驱动的设计方法

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本书以优化驱动为主线，重点探讨了3类优化驱动的设计方法，包括拓扑优化设计、多学科设计优化和可靠性设计优化。在拓扑优化设计方向，介绍了基于参数化水平集的拓扑优化设计，并分别讨论了结构拓扑优化设计、材料拓扑优化设计，以及结构与材料一体化的多尺度拓扑优化设计；在多学科设计优化方向，介绍了几种典型的近似模型构建方法和多学科求解策略；在可靠性设计优化方向，介绍了基于概率解析和基于近似模型的可靠性设计优化方法。最后，介绍了上述3类优化驱动的设计方法在工程实际中的应用案例，为工程产品设计人员提供理论和实际参考。 本书可供高等院校航空航天、力学、机械、土木等专业从事优化设计方向的研究生与教师使用，也适合从事相关研究方向的工程技术人员阅读。

"高亮，男，1974年生，华中科技大学机械科学与工程学院教授、博士生导师，科学与技术发展院副院长，“数字制造装备与技术”国家重点实验室副主任，教育部“数字化设计与制造”创新团队成员，基金委“高性能数字制造装备的基础研究”创新研究群体成员。主要从事现代优化方法及其在设计制造中的应用等研究，近年来主持多项国家自然科学基金项目和国家863项目，作为主要研究人员参与多项973课题和国家863重点项目的研究。共出版专著3部，主编国际会议论文集3本；发表SCI论文140余篇，其中ESI高被引论文3篇，被Web of Science引用1900余次。获得国家科技进步二等奖2项（1项排名第2）、教育部自然科学一等奖1项（排名第1）及其他省部级奖励2项。 邱浩波，?男，1974年生，华中科技大学机械科学与工程学院教授、博士生导师。主要从事复杂机械产品结构和工艺优化设计方面的研究和应用工作，通过力学和数学手段进行产品性能的仿真和优化，发表SCI论文30余篇，主持多项国家自然科学基金、国家863项目、总装预研项目和企业横向合作项目。 肖蜜，男，1987年生，华中科技大学机械科学与工程学院讲师、硕士生导师，湖北省优秀博士学位论文获"

第1章绪论
1.1优化驱动的设计方法概述
1.2优化驱动的设计方法研究现状
1.2.1拓扑优化设计研究现状
1.2.2多学科设计优化研究现状
1.2.3可靠性设计优化研究现状
1.3本书的篇章结构
参考文献
第2章基于参数化水平集的拓扑优化设计
2.1参数化水平集方法
2.1.1基于水平集的结构边界隐式表达
2.1.2基于径向基函数插值的水平集函数参数化
2.1.3基于离散小波分解的插值矩阵压缩技术
2.2基于参数化水平集的拓扑优化模型
2.3形状导数与灵敏度分析
2.3.1形状导数
2.3.2灵敏度分析
2.4数值实现
2.4.1人工材料插值模型
2.4.2过滤技术
2.5优化算法
2.6数值算例
2.6.1二维悬臂梁结构刚度拓扑优化设计
2.6.2三维悬臂结构刚度拓扑优化设计案例
2.7小结
参考文献
第3章结构拓扑优化设计
3.1多工况结构拓扑优化设计
3.1.1多工况结构拓扑优化设计的扩展很优性
3.1.2多目标拓扑优化模型
3.1.3目标函数权重决策方法
3.1.4灵敏度分析与优化算法
3.1.5数值实例
3.2结构频率响应拓扑优化设计
3.2.1结构频率响应拓扑优化设计问题
3.2.2结构频率响应拓扑优化模型
3.2.3有限元模型降阶策略
3.2.4灵敏度分析与优化算法
3.2.5数值实例
3.3结构特征值拓扑优化设计
3.3.1结构特征值拓扑优化设计问题
3.3.2结构特征值拓扑优化模型
3.3.3灵敏度分析与优化算法
3.3.4数值实例
3.4多相材料结构拓扑优化设计
3.4.1多相材料结构拓扑优化设计问题
3.4.2多相材料参数化水平集方法
3.4.3多相材料结构拓扑优化模型
3.4.4灵敏度分析与优化算法
3.4.5数值实例
3.5小结
参考文献
第4章材料拓扑优化设计
4.1基于数值均匀化方法的材料微结构等效性能计算
4.2极限性能材料拓扑优化设计
4.2.1极限性能材料拓扑优化设计问题
4.2.2极限性能材料拓扑优化模型
4.2.3灵敏度分析与优化算法
4.2.4数值实例
4.3负泊松比超材料拓扑优化设计
4.3.1负泊松比超材料拓扑优化设计问题
4.3.2负泊松比超材料拓扑优化设计模型
4.3.3灵敏度分析与优化算法
4.3.4数值实例
4.4功能梯度材料拓扑优化设计
4.4.1功能梯度材料拓扑优化设计问题
4.4.2功能梯度材料微结构的连接性问题
4.4.3功能梯度材料拓扑优化模型
4.4.4灵敏度分析与优化算法
4.4.5数值实例
4.5小结
参考文献
第5章结构与材料一体化的多尺度拓扑优化设计
5.1结构与材料一体化的多尺度拓扑优化设计概述
5.2静力学环境下结构与材料一体化的多尺度拓扑优化设计
5.2.1静力学环境下结构与材料一体化的多尺度拓扑优化策略
5.2.2结构与材料一体化的刚度优选化拓扑优化模型
5.2.3灵敏度分析与优化算法
5.2.4数值实例
5.3动力学环境下结构与材料一体化的多尺度拓扑优化设计
5.3.1动力学环境下结构与材料一体化的多尺度拓扑优化策略
5.3.2结构与材料一体化的频率响应最小化拓扑优化模型
5.3.3灵敏度分析与优化算法
5.3.4数值实例
5.4小结
参考文献
第6章多学科设计优化中近似模型构建方法
6.1多学科设计优化中常见的近似模型
6.1.1响应面模型
6.1.2Kriging模型
6.1.3径向基函数模型
6.2基于基因表达式编程的近似模型构建方法
6.2.1基因和染色体
6.2.2基因型和表现型之间的转换
6.2.3基于均方差的适应度函数定义
6.2.4基于GEP的近似模型构建流程
6.3近似模型性能测试方案
6.3.1测试算例
6.3.2数据采样
6.3.3评价标准
6.3.4参数设置
6.4近似模型性能测试结果与比较
6.4.1测试结果
6.4.2性能比较
6.4.3特点总结
6.5小结
参考文献
第7章多学科设计优化求解策略
7.1多学科多级求解策略
7.1.1并行子空间优化求解策略
7.1.2两级集成系统合成求解策略
7.1.3协同优化求解策略
7.1.4分级目标传递求解策略
7.2基于Kriging的广义协同优化求解策略
7.2.1广义协同优化求解策略
7.2.2基于Kriging的广义协同优化求解策略
7.2.3测试算例
7.3基于GEP和Nash均衡的多目标求解策略
7.3.1博弈论与多学科设计优化
7.3.2基于Nash均衡的多目标求解策略
7.3.3基于GEP和Nash均衡的多目标求解策略
7.3.4测试算例
7.4基于物理规划的分级目标传递多目标求解策略
7.4.1分级目标传递求解策略的不足分析
7.4.2物理规划简介
7.4.3基于物理规划的分级目标传递多目标求解策略
7.4.4非协作元素间解耦及稳定性分析
7.4.5测试算例
7.5小结
参考文献
第8章基于概率解析的可靠性设计优化方法
8.1可靠性设计优化的基本求解方法
8.1.1双循环方法
8.1.2单循环方法
8.1.3解耦方法
8.2基于自适应解耦的可靠性设计优化方法
8.2.1更新角度策略与圆弧搜索算法
8.2.2概率约束的可行性检查
8.2.3自适应解耦方法的流程和步骤
8.2.4测试算例
8.3面向很优偏移向量的可靠性设计优化方法
8.3.1偏移向量的求解模型分析
8.3.2基于很优偏移向量的可靠性分析模型
8.3.3基于很优偏移向量的可靠性设计优化流程
8.3.4测试算例
8.4使用迭代控制策略的自适应混合单循环方法
8.4.1方法概述
8.4.2迭代控制策略
8.4.3自适应混合单循环法的流程和步骤
8.4.4测试算例
8.5小结
参考文献
第9章基于近似模型的可靠性设计优化方法
9.1基于近似模型的可靠性设计优化基本原理
9.2基于局部克里金的自适应可靠性设计优化方法
9.2.1MCS灵敏度分析与近似
9.2.2局部抽样区域自适应调整
9.2.3局部抽样策略自适应选择
9.2.4实施过程及测试算例
9.3可靠性设计优化中的重要边界抽样方法
9.3.1约束边界抽样准则
9.3.2确定性优化的重要边界抽样准则
9.3.3可靠性设计优化的重要抽样准则
9.3.4测试算例
9.4基于变可信度近似的可靠性设计优化方法
9.4.1VFRBDO中的常用方法
9.4.2最小二乘混合标度的VFSLP框架
9.4.3测试算例
9.5小结
参考文献
第10章优化驱动的设计方法应用案例
10.1结构拓扑优化设计应用案例
10.1.1卫星推进舱主承力结构拓扑优化设计
10.1.2多工况支撑件拓扑优化设计
10.1.3两端固支梁的结构频率响应拓扑优化设计
10.1.4两端固支梁的结构特征频率拓扑优化设计
10.2材料拓扑优化设计应用案例
10.2.1具有极限性能的三维材料微结构拓扑优化设计
10.2.2复杂工况作用下的功能梯度材料拓扑优化设计
10.3结构与材料一体化的多尺度拓扑优化设计应用案例
10.3.1静力学环境下三维悬臂梁结构的多尺度拓扑优化设计
10.3.2动力学环境下三维支撑结构的多尺度拓扑优化设计
10.4多学科设计优化应用案例
10.4.1小水线面双体船船型参数概念设计
10.4.250000DWT散货船船型参数概念设计
10.5可靠性设计优化应用案例
10.5.1蜂窝状结构材料设计
10.5.2箱型梁结构设计
10.5.3弯曲梁结构设计
10.6小结
参考文献