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截面優化 形狀優化 拓撲優化 算法
結構優化設計是最近30年來才發展起來的一個新的技術，這是結構上的一次重大的飛躍，它讓設計者們從被動的狀態變為了主動狀態。優化設計能夠非常合理地使用每一種材料的性能，讓結構內的每一個單元都能夠很好的協調在一起，并且保證安全度是完全達標的。于此同時，它還能夠幫助整體性的方案設計進行一個非常合理的決策。結構優化設計從出現到現在已經有40多年的歷史了，而在過去的30年內，它在理論和算法等方面都取得了非常顯著的進展。這些進展大部分是與連續變量優化設計相關的，另外少部分是與離散變量優化設計相關的。
1.結構優化設計理論
1.1 截面優化
截面優化的設計變量要么是板的厚度、桿的橫截面積，要么是復合材料的方向角度或分層厚度，因此，在使用有限元對結構的位移與應力進行計算時，只需要直接地使用靈敏度分析以及適當的數學規劃方法便能夠完成截面優化的過程，而不需要對網格進行重新劃分。對于幾何狀態一定的情況，有限元分析只需要在桿的橫截面的性質發生改變的時候才重復地進行。對于板這類有連續性結構的東西，也只需要把各個單元的厚度作為設計的變量，得出的優化結果便是呈階梯形分布的板的厚度。在這些優化設計的過程當中，設計變量和剛度矩陣一般情況下是簡單的線性關系。所以，截面優化應該重點研究優化算法與靈敏度分析。
1.2 形狀優化
形態優化的主要特征是在結構給定的前提下通過對結構的邊界形狀或內部的幾何形狀進行調整來節約材料并且對結構的特性進行改善。從對象上劃分，形狀優化主要可以分為塊狀、板狀的連續體結構與桁架類的桿系結構。對于桿系結構形狀進行優化的求解方法主要可以分為兩類。第一類是綜合法，即是將兩類變量統一起來同時進行處理，運用無量綱化，然后構造近似數學模型進行求解。第二類是分步優化方法，即是將尺寸變量和幾何變量分為兩個設計空間，然后分別對這兩類變量進行優化，也即是每一步將一個變量固定，同時優化另一個變量，兩步之間通過迭代進行協調。
1.3 拓撲優化
拓撲優化已經成為了現今結構優化設計研究的一個焦點，因為它可以在工程結構設計的最初的階段便為設計者提供一個概念性的設計，讓結構在布局上運用到最好的方案，這樣，拓撲優化就比截面優化和形狀優化能夠獲得更大的經濟效益，也更容易受到工程設計人員的親睞。拓撲優化的目的是在設計空間中尋找結構的剛度最好的分布形式，從而來對結構的一些性能進行優化或者減輕結構的重量。
2.結構優化設計方法
2.1 數學規劃法
數學規劃方法的提出開創了現代結構優化的新時代，將優化問題轉化成數學規劃的形式求解也就是將問題轉化為在設計的空間中，在一定的可行域內尋找最小目標等值面上的可行的點，這個點也就是問題的最優解。數學規劃法有非常嚴格的理論基礎，雖然它在一定的條件下能夠收斂到最優的解，但是它要求問題能夠非常明顯地表達，而且大多數情況下還要求設計變量必須是連續變量，目標函數是連續的而且性態要良好。對于大型的結構優化問題，收斂性一般都不是很好，而且迭代的次數比較多，這樣就加大了結構分析的工作量，降低了工作效率。近似概念大大地提高了規劃方法的計算的效率。
2.2 最優準則法
直接地使用數學規劃理論需要多次地調用函數進行計算，而且當設計變量增加時調用次數也會迅速增加，導致設計的效率太低，在這樣一種背景下便出現了最優準則法，它是最先發展的一種結構優化設計方法。這種方法雖然計算效率比較高，但是在建立迭代公式的過程中受到很多假設的限制。
2.3 仿生學方法
近年來，對自然界進化進行模擬的算法有兩類，即模仿自然界過程算法和模仿自然界結構算法，主要又可以分為：進化算法、神經網絡算法與模擬退火。
結語
結構優化是一門綜合性的學科，也是一個有很大發展潛力的研究方向，它具有一定的理論價值與應用價值。在理論上，它對結構設計提出了一個新理念，極大地促進了人類資源的合理配置。于此同時，結構優化問題的本身也帶動了一些相關性學科的發展，對各個學科的發展提出了一些新要求。本文對結構優化的一些優化方法進行了簡要的概括。截面優化相對來說已經比較完善，形狀優化也漸漸地變得成熟，只有拓撲優化至今還處在理論探索的階段。
參考文獻
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給水管網優化設計的研究包括管網優化設計模型和優化算法兩個方面，優化設計模型需要相應的優化算法進行求解。隨著計算機的出現及其應用軟件的開發，兩者在理論和工程實際的應用中都逐漸成熟，應用比較廣泛。
1.1給水管網優化設計模型研究
給水管網優化設計模型是進行優化設計的基礎，其優劣程度決定優化設計是否成功。因此，所建的模型必須真實地反映管網運行特征及管理要求。其模型的發展經歷單目標函數和多目標函數兩個階段。20世紀50年代后，國內的研究者開始對管網優化設計模型研究，取得一定成果的有同濟大學、哈爾濱工業大學等。國內研究者一般都以管網年費用折算值最小為目標函數建立管網優化設計數學模型。此模型沒有考慮管網的可靠性約束。隨著研究的深入和實踐證明，人們逐漸認識到若僅以經濟性作為管網優化設計的目標函數與工程實際相比存在某種欠缺和不足，還需要考慮系統可靠性這一因素。
1.2給水管網優化設計模型求解算法研究
給水管網優化設計模型求解方法主要經歷了以下三個階段。
（1）拉格朗日函數優化法。該方法主要用于求解以管徑和水頭損失為變量的單目標單工況優化設計模型。應用拉格朗日未定系數法，將目標函數進行轉換，然后用計算機進行求解。但是由于管徑為離散變量，應用此法求得的管徑需要進行圓整，化為市售管徑，這在某種程度上破壞了解的最優性。該算法目前應用較少。
（2）數學規劃法。
①線性規劃。線性規劃法是在一組線性約束條件下，求某個線性目標函數的最小值(最大值)。該方法只能解決樹狀管網的優化設計，因此該算法應用較少。
②動態規劃法。動態規劃法是一種求解多階段決策過程最優化方法。該法對模型中的目標函數和約束條件的形式要求不高，以標準管徑為變量計算結果不需要調整。該方法對小型樹狀管網能得到最優解;對于簡單的環狀管網，需預先假設一組管徑并進行初始流量分配，將環狀網化為樹狀網;對于復雜管網應用該法不能得到最優解。
③非線性規劃法。非線性規劃法是在一組非線性約束條件下，尋求非線性目標函數的最大值或最小值。在管網優化設計中，目前所建的模型基本都是非線性模型，因為此種模型能更好地反映管網系統各因素之間的關系，因此該方法能提高計算精度。非線性規劃法能較好的反映管網系統的本質。
(3)隨機搜索優化方法。
①神經網絡算法。神經網絡算法是將優化問題的目標函數和約束條件映射到神經網絡動力系統，利用人工神經網絡的動力系統演化機制，搜索到局部最優解，將最優解映射為動力系統平衡點。目前將神經網絡算法用于環狀管網方面的研究較少。
②蟻群算法。蟻群算法(ACOAs)是由意大利學者Dorigo于1996年提出的一種模擬螞蟻尋食行為的算法。該算法能夠智能搜索、全局優化，且易與其它算法結合。但有以下缺點：a:當規模較大時，算法效率下降得很快，需要較長的搜索時間；b:容易出現停滯現象，即搜索到一定程度后，所有個體所發現的解完全一致，不能對解空間進一步進行搜索，不利于發現更好的解，從而容易陷入局部最優。
③遺傳算法。遺傳算法(GA)近年來被認為是管網優化技術的飛躍，它通過模擬自然界生物種群的遺傳和自然選擇機制，隨機搜索最優解。遺傳算法是以標準管徑為決策變量的，對其采用一定的編碼方式，通過選擇、交叉和變異等操作，求得最優解。它的優勢主要在于:a:該算法不受可微、可導、連續等數學處理方式的限制；b:以離散的標準管徑為決策變量避免了非線性規劃法需對連續管徑進行“圓整”帶來的偏差；c:該算法是一種隨機搜索過程，不會形成局部最優解；該算法也存在一些缺陷，如遺傳算法的早熟現象、適應度值難以標定、接近最優解時收斂很慢等。
2、結語
關鍵詞：工程結構；優化設計；分析與方法
引言：
眾所周知，不論在什么行業中，追求追優化的配置和設計是每一個行業從業者追求的目標。所謂的最優化設計，就是在諸多被選擇的項目中根據自身的特點以及條件找到一種比較合理的，最節約成本以及實現利益最大化的設計方式與方法。
立足于工程結構的設計中，我們在最優化設計的過程中致力于將技術以及力學的相應概念做到最好的融合。在設計要求的基礎上形成一些可以操作的，具有可行性的方案。進而通過科學的數學計算找到客觀的，可以應用于實際的優化方案。在諸多工程結構設計的優化方案中，我們在選擇了最佳方案的同時也就同時節約了成本，使得愛同樣的時間內創造了巨大的效應，更加使得這些工程的工期變短，工程質量變的十分優良，是一種降低工程成本，提高質量的最佳選擇則途徑。
一、工程結構優化設計演變歷史概述
對于工程結構設計，最開始是將直覺的準則法，如滿應力準則法，滿應變準則法等作為優化設計的基礎性選擇，在很長的一段時間中得到了很好的應用和成本的節約。一般來說，準則法的應用是為了主要提升單步設計變量修改幅度使之變得越來越大，并且在收斂速度上也有著顯著的提升，但是這些不會改變結構的大小，也不會因為結構的復雜而改變。隨著時間的推移，我們的研究者逐漸的將拓寬了優化設計的范圍，從而數學規劃法出現了。這就使得我們要針對一些特殊的工程進行很好的研究，因為這個時候的準則法已經不適用有所有具有個性的工程優化設計中了，主要是因為沒有一些科學的，客觀的理論準繩。與其相反，數學規劃方法，站在比較科學的角度，對于結構設計有著嚴謹的研究，這樣的算法能夠有著科學性的展現。但是實際的工程結構優化設計一般都是有約束、非線性和隱式的優化問題.這兩種方式都不是用于現代工程的發展和訴求。隨之而來的就是模擬退火算法的出現.接著，到了二十一世紀，隨著計算機的普遍應用，信息化以及全球化時代的到來，我們的研究方式與方法就隨之而來了，在工程結構優化設計上有著很好的發展，諸多實用性方式出現，下面我們將做詳細的研究。
一、 工程優化設計研究
1.為何設計---工程中結構不確定性的存在
在工程施工之前，對于其結構進行深入的分析和研究，并完成良好的設計是因為在工程設計以及進行的過程中，有著很多不確定性的存在。基于不確定性理論的工程結構優化設計主要考慮變量。但是出于安全性以及可靠性的角度考慮，先前的優化設計有些過時，我們要站在更新的角度上發展，所以之前的缺陷我們要有著很好的認識。主要分為以下幾點。
第一， 缺乏結構可靠性的設計，不能保證穩定，安全。
第二， 沒有對材料的可變性做出預算，不能真實的反映材料的參數。所以沒有科學的數學建?？梢灾?，難以形成最佳的方案。
第三， 在工程中存在著一些很復雜的施工情況，之前的設計不能很好的給予判斷以及確定，這就使得我們的施工情況不能符合實際，沒有真正意義上的達到最優。
2.工程優化設計方案研究
第一，形狀優化?？梢哉f，這種優化設計方案是當下比較流行的，主要是通過調整工程結構內外邊界形狀來改善結構性能和降低工程結構造價，其主要用來發掘工程系統構件的合理內外邊界形狀。具體上講，這種優化也是將一些離散變量以及塊體、板、殼類的連續變量包含在內。
第二，模擬退火算法。也就是通常所說的SA方式放大，也就是在施工的設計中進行固體加熱，使之到達了一定的溫度，進而在科學的作用下使之漸漸的變冷下來。因為在升溫的時候，固體的內部結構法身了很大的變化，隨著熱能的增多內能變大，其中固體中組成部分也就是內部的元素也會隨之變大。但是隨著熱脹冷縮原理的深入，當這個固體的整體變得冷卻的時候，所有的元素變回到之前的一種有序的排列狀態。也就是說，在固體中，元素因為在每一個趨近于平衡溫度的時候都有著自己的平衡狀態出現，最重要的是在常溫的時候內能處于最小化狀態，也就是我們所說的基態。這就是模擬退火算法.這種方法有著自身的好處，那就是：適用于離散型、連續型及混合型變量；魯棒性、全局收斂性、隱含并行性較強，并且可以得到很廣泛的應用。
第四， 粒子群優化算法。該種算法是近幾年來比較流行的一種應
應用廣泛，并有著實際用途的設計計算方式與方法。這個算法的研究十分奇怪，主要是來源于整個鳥群，從鳥群捕捉食物中找到靈感，這個算法是開始于隨機解，并通過迭代尋找最優解，在設計的過程中不斷的尋找一種適應度來找尋解的品質。這樣的算法是比較方便以及會計的的，沒有一些復雜的計算以及冗長的分析。是比較得到現代設計者以及施工方的喜愛的，效果也是比較明顯的。
第五， 變密度法假設優化設計。可以說，變密度法假設優化設計
的主要設計對象是那些密度可以變更的材料，這就使得我們的設計具有一定的局限性。在設計的過程中我們要假定材料物理參數與密度間存在某種數學關系，并將所設計的材料的密度作為一種變量，致力于尋找到一種目標函數，這種目標函數以材料的最優質分配為主要目標。并且，我們在這種工程優化設計中可以找到一些優勢或者是特色，具體來說，該種方式可以很好的展現出拓撲優化的本質特征，并且在實現的過程中顯得比較簡便，有利于操；同時這種程序的設計計算成功率比較高，但是精準度確實是不高，總而言之，這種方式的最大他點就是計算方法簡單易行，但是適用范圍十分受到局限，需要特定的材料以及特定的環境。
第六， 相對差商法和混沌優化相結合。該種范式是一種導出求解
離散變量桁架結構拓撲優化設計的混合算法，這種優化設計的計算方式和方法，將設計的體積最小最為最終目的。從而有力的實現了一種
拱壩的體形優化的設計和分析，在應用的過程中得到了很好的設計效果，節省了成本提升了利潤。
最后，多目標優化。一般來說，多種目標優化方案就像字面上所述，不是一種單一的目標實現方式，而是在設計中考包含了多方面的設計方式以及方法，這樣在計算的過程中，在實施的過程中保證了設計的安全性以及穩定性，更大的程度上實現了一種可靠性。在安全性的實現上，這種多元化的實施方案就要不斷的加大結構的截面面積但是要取得最少重量的目標，在設計上就要使得截面面積變小。所以我們知道，這就不可能在全局上實現一種面面俱到的設計方案，所以，我們的設計管理者以及決定人，要在多方面分析只會走找到一個比好合適的方案做一個決定，并實施?？梢哉f，這種多目標的優化設計對于工程系統決策是很重要，并有著很好的應用。
參考文獻
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關鍵詞：優化；素描；教學方法；觀念
中圖分類號：G42 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5312（2012）30-0247-01
一、教學方法與規律
近年來，我國從國外引進了科學的素描技藝訓練方法，使得素描教學成效取得了巨大的成就。但同時，我們也發現，素描教學中普遍存在著過于注重對素描技藝的訓練，而忽視了素描藝術本身的規律性。素描技藝訓練的目的是什么，學生應具備怎樣的能力？這應該是每一位素描教師應首先考慮的問題。一味地追求對學生素描技藝的強化訓練，學生可能會熟練掌握方法，但很難培養出學生的藝術形象思維能力。他們一旦脫離客觀實物，就不知該如何下手。
改革開放之后，我國沿用了幾十年的“契氏”教學法一統的局面被打破了。西方藝術大師的經典素描作品使我們在開拓了眼界的同時，也反思了素描教學法的改革。然而，傳統的教學方法常會使我們的教學停留于對方法的追求，總是新瓶裝舊酒，換湯不換藥。對于素描教學中藝術造型的研究卻仍然沒有引起足夠的重視，因而，在素描教學中，我們應注重訓練學生通過自己的眼睛去捕捉事物的形象，并能夠通過藝術的形式表現出來。素描技藝只是學生掌握造型藝術的一種手段，并非根本目的。只有認識到這一點，才能使學生擺脫對于技藝的過分追求的現狀，才能通過經典的藝術作品去把握規律性的東西。繪畫的藝術流派，不論哪一派，他們的藝術規律是相同的，區別僅僅在于風格上的差異。
二、教學方法與觀念
繪畫藝術流派的風格究其根本是由觀念的不同所形成的。例如一支客觀存在的筆，經過人的觀察之后，可能幻化成另外一種形態的東西，這就是由于人的大腦經過思維后所形成的反射，是一種能動的反射。因而，人腦所形成的畫面是由感覺器官輸入人腦后經過思后，形成的一種觀念?！捌跏稀苯虒W法認為，任何藝術形體都是由“塊”和“面”組成的，即使是線也是由“面”所構成的。而國畫則講究“線”，認為畫家可以通過線創造萬物。所以，兩者的差別就顯而易見。因此，素描教學應研究觀念，尋求事物背后的規律性的東西，而不應過分注重教學方法。
在實際教學中，教師在講授觀念的重要性之時，最多的就是整體與局部之間的關系。這本無可厚非，主次之分是素描的核心，但同時也不應忽視兩者之間的相互作用。要辯證地看待整體與局部，只有這樣才能避免陷入簡單、片面、狹隘的誤區。高強度的技藝訓練可以使學生迅速的提高素描水平，這容易使學生在初步掌握了素描的技藝的基礎上，形成定向思維的模式。如初學時，教師一般會強調通過把明暗交接的部分進行一定的夸張處理，可以更加明晰的區分事物之間的存在關系。學生通過高強度的訓練，形成一種“習慣”，在繪畫時過多地區套用這種模式。
對于素描的本質缺乏認識，是由“觀念”形成的。在實際教學中，學生往往會對如何畫才能達到客觀事物的本質這一問題而感到不知所措。本質和表象是一對范疇，表象指的是人能通過感官感覺到的東西，而本質指的是事物的內在，兩者是相互統一的。比如，我們通過觀察著衣人物只能看到其本質的一部分。因為，我們不能看見其全部，只能通過人的膝部、肘部等重要的關節部位和整體的外形來把握。因而，學生如果不能把握事物的本質規律，則容易以孤立的視角看待事物，人體模特的臂膀的伸展有著明顯的差異，而學生的素描，卻過于僵硬，這正是由于忽視事物本質規律的反映。樹立學生養成透過現象看本質，使現象服務于本質，是必須重視的觀念問題。
三、優化教學方法與手段
教師應注意培養學生對于素描基礎訓練的目的和重要性的認識。這樣能有效提高學生的學習效率。如有的學生素描功底較好，但其主觀意識薄弱，容易羨慕他人的“漂亮”作品，但對自己存在的問題卻仍不知所在。素描基本功的訓練，其實是培養學生藝術形象創造能力的重要基礎，對其一生的藝術生涯有著極為重要的影響。傳統的教學方法過于注重學生技藝的訓練，使得他們花費了大量的時間和精力于物體的簡單摹仿之中，而對物體的形體轉換成藝術表現形態方面存在明顯的不足。長期如此，必會導致學生藝術創造能力培養的缺失。因而，在教學中注重將摹仿與藝術形象創造有機結合，是辯證統一的觀點，必須加以結合。視覺的觀察加上藝術思維的想象，是學生完成藝術升華的重要條件。一個僅能摹仿的學生是難以在素描藝術領域獲得長足的進步的。在培養學生藝術形象的創造能力時，需要教師具備一定的膽識與技巧，其中有規律可循，教師只有掌握并靈活運用它，才能使得素描教學更上一層樓。
參考文獻：
關鍵詞：轎架優化設計有限元CAD/CAE
中圖分類號：S611 文獻標識碼： A
1 引言
電梯轎架的主要功能是支撐整個轎廂系統，載著轎廂在曳引鋼絲繩的作用下沿著電梯導軌上下運行，它要具有足夠強度的同時也要保證轎廂內乘客乘坐舒適，且要有與安全制動裝置相配合的機構來保證特殊狀態下乘客的安全。一套設計合理的產品須滿足如下幾個基本要求：
1）結構、功能及強度要求
2）使用性能要求。
3）標準化及成本、工藝等要求
以下以轎架上橫梁設計為例，介紹最優化方法和CAE有限元分析方法在電梯結構設計方面的具體應用。
2 上橫梁受力分析及結構選型
在轎架系統中，上橫梁需承受所有的重量，所以上橫梁所用物料的結構形式和尺寸參數是設計的關鍵所在。 以載重1600kg轎架設計為例，其中轎架各部分重量分布如下表：
表2.1系統配置參數
2.1 截面選型
上橫梁承受的主要載荷類型是彎矩，因此要優化截面類型就要選擇截面面積最小且抗彎系數最大的截面形狀。截面形狀為簡單的矩形時（矩形高度為h，寬度為b），截面的抗彎系數為
ABC
圖2.1三種常見上橫梁截面
取3種截面的高度尺寸相同，在相同面積下比較其慣性矩及抗彎截面系數，根據截面慣性矩如下計算公式及具體截面的慣性矩算法可對圖2.1三種截面抗彎系數進行對比。
（以上公式：即面積元素A對Z軸的慣性矩為：面積A與其到Z軸的距離平方的乘積。）
經比較，截面A和C的慣性矩和截面抗彎系數在高度和面積相同的情況下大于截面B，考慮到結構的加工工藝，截面A加工較C更為簡單，所設計的上橫梁基本結構型式如下圖2.2所示（圖右為上橫梁橫截面示意圖）。
圖2.2 上橫梁結構型式及橫截面示意圖
2.2 上承重梁受力情況分析
取單根梁為研究對象，上橫梁長度為L，其受力簡圖如下圖所示：
圖2.1 上橫梁受力簡圖
單根梁所受力為：
2.3截面模量計算
為便于計算，將上橫梁槽鋼截面簡化分解成如圖2.2所示的模塊，其中上橫梁高度為h，寬度為b，厚度值為t，分別計算截面3個部分的慣性矩得：
上橫梁所受應力為
3參數優化及有限元分析
3.1 上橫梁結構參數優化計算
結構優化的目的是為尋求零部件結構參數的最優配置，力求綜合滿足各設計目標。如使所設計的部件在強度滿足時，具有更小的原材料消耗量，最佳的制作裝配工藝等。根據引言所述的設計目標以及對上橫梁的受力分析，確立上橫梁結構參數的最優化數學模型如下:
其中優化目標為：上橫梁重量最小，對應的目標函數為：
約束條件1為：最大應力小于材料屈服極限235MPa，其對應的約束條件為：
約束條件2為：上橫梁的最大撓度σ≤【σ】，其中【σ】為上橫梁最大容許撓度，【σ】=3，其對應的約束條件方程為
根據設計經驗，初步確定上述各參數變化范圍為：
根據表2.1所列出的電梯轎廂的各部分重量值，計算得出作用在上橫梁上的總重量為：
又由文中2.2對上橫梁的受力分析所得，單根梁所承受的力和彎矩分別為
將上述公式所計算值代入目標函數及約束條件，并在matlab中應用數值搜索和窮舉法對優化方程進行求解得：
t=8.32mmb=76.8mm h=230.6mm
當上橫梁截面參數取上述3個值時，滿足優化優化目標，此時為參數的優化值，即保證零件強度的情況下，材料重量最小。
因此，根據GB型材標準，選用厚度的槽鋼作為載重1600kg轎架上橫梁材料。此時，根據式3.1函數，計算的上橫梁的實際重量為
按優化計算值，在solidworks中創建上橫梁實際結構模型，測得上橫梁實際重量值和慣性矩分別為：
此為優化的最終結果。
3.2優化解的有限元驗算
根據3.1中對上橫梁橫截面參數優化計算得出的最優解，在solidworks中，創建上橫梁結構的簡易模型，并依據對上橫梁的受力分析，在ansys 12.0環境下對該參數下的上橫梁進行結構靜力解析，得出的結果見下圖3.1。
圖3.1 上橫梁ansys仿真結果圖
從圖3.1可以看出上橫梁的最大應力為211.46MPa，為壓應力，而最容易引起破壞的拉應力的為81.67，均小于材料Q235的屈服強度極限，由圖右的應變示意中，上橫梁的最大變形為2.7263mm，小于容許撓度【σ】=3，因此優化計算得出的截面參數t=9，b=80，h=250合格。
4結論
在電梯行業中，現代設計理論和方法的使用也越來越多，本文應用最優化思想和現代CAD/CAE手段以電梯轎架零部件上橫梁為例，說明了優化設計和有限元方法在電梯部件結構設計中的應用。
參考文獻
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【關鍵詞】建筑結構設計；優化方法；現實應用
一 建筑結構設計的優化方法與現實應用的背景分析
隨著我們國家經濟技術的不斷進步和發展，全國人民的生活也逐步的走入了相對良好和穩定的小康時代，相應的對于生活質量和環境要求也就越來越高，絕大多數的人都住進了高層建筑當中。在這樣一種實際的背景狀況下，人口持續增長，土地資源卻是極其有限，建筑的建設與規格也在持續見長，這使得土地、建筑物以及建筑物的建設成本都在不停的提升。由此，降低建筑建設成本就成為了建筑商在進行建設的過程當中最需要注意和考慮的。那在實際的建設過程的當中應當以什么樣的方式來進行建筑成本的控制呢？本文實際上也是針對于這樣一個問題展開的討論和分析。
結構優化設計目前在國外是非常有價值的一種理論系統，其核心就在于能夠通過對居住環境以及生活環境的改善來實現建筑產品質量以及品位的提高，以這樣一種定性的思維和方式來實現工程建筑質量最大化和成本最小化，因此具有適用、經濟和適用的價值，是值得在實際的工程建設中予以廣泛的應用和實施的。
二 優化結構設計方法
現代社會環境下很多建筑物的造型都相當的優美和獨特，能夠給人以很好的精神享受，這樣一種良好的建筑效果從本質上來看就正是結構設計與建筑實施技術的良好協調和配合，以這樣一種方式來實現建筑美觀效果的完成。建筑結構設計所追求的五種最為基本的目標就是：安全、經濟、適用、美觀以及施工簡便，因此我們在文中所討論的結構優化設計方案就要保證能夠切實的實現這些點，將其良好的應用于實踐，這樣不斷能夠滿足人們對于美的追求，還能夠保證整個房屋建筑的結構設計合理以及性能上的安全保障，成為名符其實的經濟實用型建筑。我們在對其進行深入的探討和分析時則往往需要通過兩個具體的方面來進行：
第一方面：主要是建筑模型的優化結構設計方案，在進行一項大型的建筑工程方案之前，首先必然是需要進行建筑模型的設計的，而在這樣一個過程當中對于建筑模型的優化設計就是非常關鍵和有必要的。在進行建筑模型的優化設計時，主要的工作就是以下幾個部分：基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統的優化設計、圍護結構方案的優化設計以及結構細部的優化設計等。除此之外，還需要采取進一步的處理措施，主要就是進行必要的選型、布置以及準確的受力分析，最終實現對于造價本身的良好優化。上述一系列的優化過程都需要按照一切以實際出發的原則來進行，也就是圍繞工程的實際狀況和需要來進行，將房屋建筑的綜合經濟效益以及房屋質量的保證作為設計的最終目標和要求。在進行結構的設計和規劃時，首要的就是要把握和設計的真實意圖，這樣才能夠盡可能的保證整個布置狀況的規則，并較大程度的降低剛度以及質量中心之間的差異，以此來避免較大扭轉作用力的產生。
第二方面：主要是建筑模型的優化結構計算方案，計算方案的進行和完成實際上只需要進行相應的編制并按照相應的運算程序進行計算就能夠得到我們做需要的最終的優化結果。但是我們需要注意和認識到的就是，在進行結構優化的過程當中可能會涉及到多個方面的變量和約束條件，這也就意味著處理的是非線性的優化問題，針對于此，我們在進行計算方案的確定時就需要將一些有約束的條件轉化成為沒有約束條件的問題來進行計算。在實際的建筑工程設計中較多應用的就是Powell算法和拉式乘子法以及符合性法等，利用這樣一些方法基本上就能夠實現優化結構設計方案的良好計算。
三 優化的結構設計技術在實踐當中的應用
我們將結構設計方案處理完成以后就可以將其應用于實踐。對結構設計進行良好的優化在現今的時代背景下實際上是非常好的一個課題，在目前開展的也比較普遍，我們采用結構設計的優化方法就是希望能夠在不改變建筑結構實際使用性能的前提下來保證其工程造價的大幅降低，因此將其應用到實際的工程實踐當中去就是我們工程人員不二的追求。結構設計的優化在實際的工程環境中能夠應用和滲透到其進行的各個步驟和環節當中去，這其中就包括整體的設計階段、前期的設計階段、舊房的改造以及抗震設計當中去，并能夠在應用的過程當中發揮出巨大的效益來。我們在按照結構設計優化的理論方法對模型進行改造實踐的過程中，需要注意以下三個方面的具體問題，下文中正是針對于這樣三個問題進行了詳盡的闡述和分析。
3.1 參與結構設計優化的前期工作
這樣一個方面的強調主要是因為前期工作的進行直接影響到整個建筑工程的總造價，而現如今大多數工程在進行建設的過程當中最為普遍的問題往往也就是其前期方案結構結構設計上的問題，建筑師在進行設計的時候更多關注的是設計本身的問題，而極少關注結構自身的合理性和可行性，這就使得建筑結構在進行建設的過程當中面臨著較多方面的問題，更多的是會引起工程造價的提高，這就與我們進行優化設計本身的目的有所違背。正是因為這樣，我們有必要在進行建設之前針對于不同的建筑類別來對結構形式進行選擇，為整個工作的開展和進行提供良好的開端。
3.2 將概念設計和細部結構設計進行優化
所謂概念設計實際上也就是指一些沒有具體的數值來進行量化的指標，包括地震的防裂度以及其本身的不確定性等，因此在進行設計計算的時候難免會和現實產生較大的差別，正是在這樣一種背景下我們才需要在對這樣一種指標進行設計和確定時選擇使用概念設計的方法，將數值僅僅只是作為輔助或者是參考的依據來進行。在這樣一種設計的過程當中更為強調的就是設計人員本身的靈活性以及應用結構設計優化方法的能力，這樣良好的結合才能夠真正實現效果上的最優化。
3.3 優化下部的地基基礎結構設計
地基基礎的結構設計優化進行過程中最開始的一步就是進行方案的選擇，如果是樁基礎的話，就有必要根據現場的地質條件來選擇樁基的類型，以此來最大程度的降低造價。在建設進行的過程當中，樁端持力層對于灌注樁樁長的選擇影響也是非常大的，因此需要進行較多的對比和分析以后再來進行核實方案的確定和選擇。
結語：通過上文中詳盡的分析我們就可以看到，利用結構設計優化的技術方法是能夠切實有效的提高空間、資源等的利用率的，除此之外，還能夠最大程度的實現經濟性和實用性的最大化，這樣一種狀況實際上就是我們在進行工程設計的過程當中最希望能夠實現的。滿足了建筑產品本身品質不斷提高的基本要求，更重要的是能夠實現人們對于生活質量以及生活水平的更高要求。最后，實際上也是實現了建筑商不斷尋求新手段吸引顧客的目的，達到降低工程建設實際造價的目的。
參考文獻
[1] 李國勝.《多高層鋼筋混凝土結構設計優化與合理構造》.中國建筑工業出版社，2008.
[2] 方鄂華.《高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計》.北京.機械工業出版社。2004.
關鍵詞：建筑設計方案；優化；“倒三角”法
中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號：
一、建筑設計方案優化的必要性
1、中標設計方案有待成熟與完善
方案中標并不意味著方案的完善。通常情況下，自招標文件公布至提交方案，留給設計單位的有效設計周期不會超過40天。同時，依據招投標法規，招標期間建設單位與設計單位之間除“答疑”之外不能進行其他方式的溝通，因此，在有限時間與有限交流的前提下，要求設計單位拿出能夠充分領悟建設單位意圖、完全滿足建設需求的方案是不現實的。
2、建設單位的技術要求有待明確與落實
目前的建設項目，尤其是大型復雜建設項目，面臨功能、交通、環保、景觀、法規等越來越復雜的內外部環境條件和設計約束，在缺乏建筑設計方案雛形的情況下，建設單位很難提出明確詳細的設計要求，其在設計招標文件中對功能需求、建筑風格的描述往往是模糊的或是框架的。因此，在明確中標方案后，應該基于中標方案的建筑布局，對各項技術要求、功能需求及設計約束進行逐一細化、優化和協調，并最終落實和確認。
3、集思廣益，博采眾長
中標方案僅為一家單位的設計成果，其設計思路的局限性在所難免。而設計招標過程中，少則三家，多則十幾家單位參與設計，各投標方案的設計手法、設計亮點對開拓建設單位和中標設計單位的思路是有價值的，可以在設計方案優化階段集思廣益、博采眾長，充分借鑒其他投標方案的優點，對中標方案進行優化完善。鑒于這些情況，對于工程建設項目，尤其是大型復雜建設項目，方案優化工作已成為工程建設過程中不可或缺的工作程序和環節。建設單位要摒棄建筑設計方案優化可有可無的思想誤區，在設計招標結束后不要急于展開后續設計，而要發揮各方優勢，對中標方案進行充分的優化和深化，使各項功能指標及技術措施更為合理，建筑風格定位更為準確，造價與運營成本更為經濟，并為后續工程設計、工程施工等環節提供科學、系統的工作依據。
二、建筑設計方案優化的風險與原則
建筑設計方案優化的初衷往往都是好的，但是否所有的優化工作都能夠實現目標呢？一些建設單位和設計單位雖然投入了大量精力、時間進行方案優化，但由于工作方法不當，往往出現調改了一個地方，卻引發更多相關問題的現象。經過反復調改，卻發現不是對中標方案進行了“優化”，而是丑化、劣化了原有方案，甚至顛覆了中標方案，輕者延誤了工期，重者則造成工程建設管理的重大失誤。
因此，為了實現優化目標，達到理想的優化效果，在建筑設計方案優化過程中，如下幾條原則是應該嚴格遵循的：
1、堅持并充分發揮專業人員的主導作用
優化不成反遭劣化的原因可能來自多方面，但非專業因素過多地干預甚至主導優化過程是其中一項主要原因：一方面是建設單位的參與熱情或領導的主觀意愿不知不覺中影響或壓制了建筑師的創作空間；另一方面，中標單位也常常存在任務完成式的被動工作心態，“既然已經中標了，業主單位說怎么改就怎么改吧！”結果是系統思考不足引發更多的問題，造成方案的劣化。雖然建筑設計方案優化是一項需要多方參與、博采眾長的活動，但同時，也是一項專業性極強的工作。為確保優化方案的科學性與合理性，來自各方面的的意見與建議必須要經過建筑師的整理、甄別與過濾后，通過專業的設計手段與技術舉措加以落實。建筑師要摒棄任務完成式的消極態度，積極承擔起方案優化的主導責任。同時，建設單位要給予建筑師以充分的信任與授權，并在工作程序、機制上給予保證。
2、識別并堅持中標設計方案的精髓，避免顛覆性的修改
設計招投標制度對中標方案的法律地位是有明確規定的，且大型重要項目的中標方案一般都經過了建設單位高層領導的認可，所以不能敞開來優化，而是應該充分挖掘、識別、提煉出原有中標方案的亮點，在保持原有方案精髓的基礎上開展設計優化工作，切忌進行顛覆性的修改。
3、自頂向下，抓大放小，做本階段應該做的事
由于中標方案大多為概念設計深度，在設計方案優化階段，應采取自頂向下的優化策略，優先著力于宏觀與總體層面上的要素，重點關注于本階段必須完善與決策的重要事項，避免過多、過早地陷入局部細節問題中。
三、建筑設計方案優化中應重點關注的要素
那么，在建筑設計方案優化階段，需要重點關注的要素有哪些呢？通常包括如下幾個方面：
1、文化要素
建筑的文化特質與內涵,廣泛涉及到歷史、文脈、民族、地域風情、風格定位、建設單位的組織文化等諸多方面，且往往難以用明確的語言來加以表述。對文化要素的正確把握與合理表達通常是建筑設計的難點之一。中標方案能得到評標專家的認可，一般會在文化要素的詮釋方面有獨到的優勢，但這并不意味著已全面到位。在方案優化階段，建設單位與設計單位均應對文化要素給予充分關注，并通過反復的溝通與論證，以準確把控建筑的文化定位與建筑格調。
2、功能要素
在招投標之前，由于尚無建筑方案雛形，建設單位對功能需求的描述往往是粗線條的，大量技術指標尚有待細化與明確。因而，在方案優化階段，需要基于中標方案對功能要素進行梳理，并逐一驗證落實。同時，力爭通過功能集成，碰撞、激發新的想法和創意，使功能更趨完善與優化。
3、成本要素
目前成本指標已成為限額設計的一項硬性約束，必須加以嚴格控制。然而，在投標階段，設計單位的關注點集中在建筑專業，建筑估算往往僅能達到匡算深度。在方案優化階段，需要結合具體的中標方案，對建筑成本要素進行分析，并基于成本限額指標對功能、材料、結構形式、技術標準等進行全面優化與協調。基于倒三角工作法的建筑設計方案優化模式?！暗谷枪ぷ鞣ā笔亲髡咴陂L期的工作實踐中總結提出的一種建筑設計方案優化工作模式。下面將結合某總部辦公大樓建筑（建筑面積15萬平方米）設計方案優化的具體案例，對基于倒三角工作法的方案優化模式進行介紹。
基于倒三角工作法，在優化過程中，沿倒三角逆向而上，首先從位于“倒三角”最底層的功能要素入手，依據功能使用的合理性，結合出入口的交通組織，在保持對稱性的基礎上，將其功能布局從“東西分區”調改為“南北分區”。進而，從文化要素入手，在保證其立面肌理的基礎上，對立面色彩、幕墻比例進行優化，使其更符合該企業的文化定位。之后，從綠色環保節能出發，對通高中庭進行了內部尺度的優化。而對于專家和領導普遍認可的五段式體量關系，則作為方案的重要特質原汁原味地給予保留。依據上述工作模式，建設單位編制的“建筑設計方案優化大綱”，各項調改要求明確、全面，且設計單位接受度、參與度很高，雙方共同組建成為一個工作團隊，將優化工作開展得系統而順暢，并在短時間內實現了優化目標，優化成果得到專家和領導的一致認可。
四、結語
在目前勘察設計招投標的法規環境下，建筑設計方案優化工作已成為工程建設過程中一個必不可少的重要環節?？茖W的工作方法能有效提升優化效率，達到優化效果。本文對建筑設計方案優化的原則、要素進行了探討，提出了基于“倒三角”工作法的方案優化模式，并結合典型案例進行了分析與概述。
參考文獻：
關鍵詞: 結構設計方案問題應用
中圖分類號：TU318文獻標識碼： A 文章編號：
在建筑結構設計的過程中，在基本滿足建筑師設計意圖的基礎上，平面布置應盡量規則，對稱，盡量縮小質量中心和剛度中心的差異; 使建筑物在水平荷載作用下不致產生太大的扭轉效應。豎向布置上，在滿足功能要求的前提下，盡量使豎向承重構件上下貫通; 能不使用轉換層的就應避免使用，以減小結構分析和設計上的困難，另外也不經濟，還容易造成應力集中;豎向剛度最好不要突變，而要漸變，否則突變處在水平荷載作用下會出現嚴重的應力集中現象。
1 結構優化設計的模型和方案
房屋工程分部結構優化設計包括: 基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。對以上幾個方面的優化設計還包括選型、布置、受力分析、造價分析等內容，在實施過程中，還應該按照一切從實際出發的原則，結合具體工程的實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。進行結構設計時，應在滿足設計意圖后，盡量使平面布置規則，縮小剛度和質量中心的差異，這樣水平荷載就不會使建筑物有太大的扭轉作用。豎直方向上應避開使用轉換層，減少應力集中現象。
1．1 結構優化設計模型
結構設計優化就是在各種影響變量中選擇主要參數，并建立函數模型，運用科學合理的方法得出最優解。結構總體的優化建立模型的大致步驟是: 設計變量的合理選擇。通常的設計變量選擇對設計要求影響較大的參數，將所涉及的參數按照各自的重要性區分，將對變化影響不大的參數定為預定參數，通過這種方法可減少很多計算編程的工作量。目標函數的確定。使用函數找出滿足既定條件的最優解。最后，約束條件的確定。房屋結構可靠度優化設計的約束條件，包括了應力約束、裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、從正常時的極限狀態下彈性約束到終極狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。設計中，要保證各約束條件必須符合現行規范的要求。
1. 2 房屋建筑結構設計的基本方法
(1) 當結構平面圖在繪制結構平面布置圖時，需要輸入結構軟件進行建模。建筑物根據設防類別、烈度、結構類型和房屋高度進行相應的計算和構造措施要求。注意“地震作用”、“抗震措施”與“抗震構造措施”，提高地震作用，則結構的各構件均全面增加材料; 抗震措施指除地震作用計算和抗力計算以外的抗震設計內容，包括抗震構造措施，其中的一般規定及計算要點中的地震作用效應(內力和變形) 調整的規定均屬于抗震措施，提高抗震措施，著眼于把財力、物力用在增加結構薄弱部位的抗震能力上，是經濟而有效的方法; 抗震構造措施指根據抗震概念設計原則，一般不需計算而對結構和非結構各部分必須采取的各種細部要求。設計中需要注意受壓和局部受壓的一些問題。
(2) 屋頂(面) 結構圖當建筑是坡屋面時，結構處理方式有梁板與及折板式兩種。梁板式適用于建筑平面不規整，板跨度較大，屋面坡度及屋脊線轉折復雜的坡屋面，折板式適用于相反的條件。兩種形式的板均為偏心受拉構件。板配筋時應有部分或全部的板負筋拉通以抵抗拉力。板厚基于構造需要一般不宜小于120 厚。至于坡屋面板的平面畫法，通常使用剖面示意圖加大樣詳圖的表示方法，這樣更便于施工人員正確理解圖紙。正確繪圖和設計的關鍵是設計人員真正的心知肚明，結構設計者必須要具備一定的空間概念，正確理解建筑圖紙和意圖。設計的圖紙方能讓施工人員明白。由于屋面的起坡會造成閣樓層的部分墻體超高，要結合門窗頂設置圈梁來降低墻的計算高度。
1．3 結構優化設計方案
結構設計優化設計多個變量、多個約束條件，屬于一個非線性的優化問題，設定計算方案時，常將有約束條件轉變為無約束條件來計算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法等。完成計算方案的設定后只需編制相應適用的運算程序即可得到我們的最終優化結果。
2 結構設計優化技術在應用中的幾個問題
結構設計優化方法應用于實踐之中，是目前一個比較廣泛的課題，利用結構優化的方法在不改變適用性能的前提下達到降低工程造價的目的。結構設計優化設計應用于項目的整體設計、前期設計，舊房改造，抗震設計等設計的各分部環節，發揮著巨大的效益。在按照結構設計優化的方法及模型進行實踐的過程中，要注意下面的幾個問題。
2．1 前期參與
因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資，而現在存在的普遍問題就是前期方案階段結構設計并不進行參與，建筑師進行建筑設計時大多并不考慮結構的合理性以及它的可行性，但是建筑設計的結果卻直接對結構設計造成影響，某些方案可能會增加結構設計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結構優化設計就能參與進來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結構形式，合理的設計方案，獲得一個良好的開端。
2．2 細部結構設計優化
概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，設計過程中需要設計人員靈活的運用結構設計優化的方法，達到最佳的效果。與宏觀把握相對應的，設計的過程同時要注意對于細部的結構設計優化，比如現澆板中的異形板拐角處易出現裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I 級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設計的時候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規范要求即可，達到既安全又經濟的目的。
2．3 地基基礎結構設計
地基基礎的結構設計優化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎，那么要根據現場地質條件選擇樁基類型，盡量節省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應多進行比較以確定最合適的方案。
3 結構設計優化的的功用
3．1 降低總造價
進行結構優化設計中，多層住宅和高層住宅相比較，層數越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用的土地面積就越小，節約了用地成本，但建筑層數的增多，建筑總高度也會加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時占用的土地節約量就不與建筑層數增加比例相同了。對于基礎部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數增加，傳給基礎的荷載將會增大，我們需要增大基礎，這樣單位面積的造價有所降低，但是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。
3．2 提高建筑結構經濟性
建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結構的自重會增加，基礎和柱的承載力相應增加，水衛和電氣的管線會加長; 相反降低層高，可節省材料，有利用抗震，同時建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會減小，間接的節約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時，它的外墻周長也就會不同，這樣當選擇圓形或是越接近于方形時，外墻周長系數就越小，基礎、外墻砌體、內外表面裝修都隨之減少，同時其受力性能也得到提高，增強了建筑的經濟性能。優化方法的技術性實現，可以最合理的利用材料性能使建筑結構內部各單元得到最好的協調，不僅可以實現建筑美觀、實用，而且在造價方面也有較大的節省，達到了建筑工程設計對適用、安全、經濟、美觀和便于施工的一般要求。通過使用優化設計手段，達到這5個方面的最佳結合，符合現今建筑商對于建筑結構的效益的需求，也符合市場可持續發展的需求。
關鍵詞： 目標分解； 復雜系統； 多學科設計優化； 層次化建模
中圖分類號： U461文獻標志碼： B
引言
現代產品更新換代速度快，且功能極大豐富，導致系統設計的復雜程度提高.復雜的產品及工程，如汽車、飛機和宇航等，通常由眾多的系統、子系統及其零部件組成.同時，這些復雜的產品及工程設計問題又大多涉及多個學科領域，并且各個學科之間可能存在著很強的相互耦合關系.這些復雜因素都給產品開發與工程設計帶來非常大的挑戰.[1]
為滿足現代社會對產品開發及工程設計的要求，并行性、一致性和高效率已經成為設計流程設置及其開發環節中極為重要的考核指標.
所謂的并行性，指系統的各個設計任務在彼此相互獨立的情況下同時實施.并行進行的設計任務之間，可能會存在著大量的關聯與耦合關系.這就要求各個設計任務之間必須保持與系統設計目標高度一致，從而使得最終生產制造出的產品可以實現預定的設計目標要求.各個設計任務需要與產品的設計目標之間進行不斷地交互，而且這種交互工作越早發生，越有利于整個產品開發的高效進行，避免在產品設計后期發生系統整體的性能未能滿足產品設計目標要求的情況，從而不得不重新設計，導致極為嚴重的資源和時間浪費.
傳統的優化設計方法，采用串行設計模式和單層次優化方法（AllatOnce）.整個產品開發與工程設計過程按照單個子系統或零部件依次進行設計與優化工作.這樣的設計模式嚴重制約產品的開發效率，也導致最終集成的系統無法實現最優方案.隨著產品開發與工程設計問題越來越復雜，自20世紀80年代后期以來，一種解決復雜產品開發與工程設計優化問題的多學科設計優化（Multidiscipline Design Optimization，MDO）方法，在國內外獲得廣泛關注.MDO方法是一種通過充分探索和利用系統間的協同機制來設計復雜系統的方法，即MDO方法是在復雜系統的設計過程中結合系統的多學科本質，充分利用各種不同學科的設計與分析工具，最終達到最優設計的方法.基于MDO理念，將各學科的高精度分析模型與優化技術有機結合起來，尋找到最佳的總體設計方案.MDO方法最初應用在航空、航天領域，目前已經廣泛應用于船舶、汽車和建筑等各個領域.[2]
目前，主要的MDO方法包括：協同優化（Collaborative Optimization，CO），并行子空間優化（Concurrent Subspace Optimization，CSSO），二級系統一體化合成優化（BiLevel Integrated System Synthesis，BLISS）和解析目標分解 （Analytical Target Cascading，ATC）法等.[3]不同于CO和BLISS等傳統的MDO優化方法，ATC方法起源于汽車產品設計，其目標主要是通過不斷地進行子系統與零部件的迭代優化，實現系統級的產品開發與工程設計問題的既定目標.通過層次化的多學科設計優化方法，在系統的優化設計過程中，結合系統設計目標考慮構成系統的各個子系統的優化設計，并在優化各個子系統的基礎上達成整個系統的優化.該方法最早由美國密西根大學KIM博士和PAPALAMBROS教授所在的Optimal Design實驗室提出.[45]
1目標分解方法及其數學表達
1.1優化設計問題的層次化構架設計
通常，一個復雜的產品開發與工程設計問題，可以通過分解構建成一個層次化的結構形式.典型的層次化結構設計案例見圖1.產品開發與工程設計問題被分解為3層結構，包含由A到G的所有元素.對于層級1而言，只擁有元素A.元素A又可通過分解，得到下一個層級（即層級2）的2個元素，分別為B和C.依次，又可分解得到層級3及其對應的元素D，E，F和G.這樣，就可以將一個極為復雜的系統逐層分解成多個簡單問題的集合.
圖 1典型的層次化結構
1.2ATC方法的實施步驟
ATC方法一般可以按照以下4個步驟實施.
（1）首先確定產品開發與工程設計問題系統級的設計目標；
（2）將這個系統級的設計目標逐層分解到各個子系統或者零部件上，確定它們為滿足這個總目標的要求各自所必須實現的子目標；
（3）通過設計優化，使得各個子系統或零部件分別實現其滿足系統總目標要求的各自的子目標；
（4）通過各個子系統和零部件設計結果的組合，驗證最終產品開發與工程設計是否可實現既定的總目標要求.
ATC方法在建立層次化結構時，需要建立2種類型的模型，分別為優化模型P和分析模型r.優化模型P的主要功能是建立優化算法，并通過調用分析模型r得到系統、子系統及其零部件的設計響應；分析模型r為仿真計算模型，其主要功能是根據優化模型P產生的輸入參數（即設計變量）和下一層的響應，通過仿真計算得到相應的計算結果輸出，返回給優化模型P.ATC方法中不同層級之間數據流向及每一層中分析模型P與分析模型r之間的調用關系見圖2.
圖 2ATC方法的數據流向
圖2中，作為中間層的子系統層，它的設計目標RUs1和共享變量yUs1由系統層傳遞下來.經過一系列的子系統層及零部件層優化設計求解之后，將生成相應的設計目標響應RLs1和共享設計變量yLs1，并返回給系統層.同理，對于最底層的零部件層ss1，RUss1和yUss1被作為設計目標和共享設計變量由子系統層傳遞下來，而后通過優化與仿真，再將相對應的RLss1和yLss1返回給子系統層.對于子系統層調用的分析模型rs1，來自零部件層的ss1響應Rss1和ss2的響應Rss2，子系統層本地設計變量x-s1和子系統層的共享設計變量ys一同作為其輸入參數，由Ps1調用.
1.3ATC方法的數學表達
2數值案例及Isight軟件求解
2.1數值案例的分解解析
2.2基于Isight優化軟件的ATC實現
隨著計算機仿真技術的深入，采用單一學科軟件的設計、分析與優化方法，已經難以適應復雜系統設計和工程開發的需要.以航空航天領域設計為例，其涉及機械、電子、控制和熱工等多個學科.隨著各個學科的深入發展，在每個單獨的學科領域內，都已經形成大量專業的仿真方法與工具.因此，如何在設計中將各個學科有效鏈接起來，使其形成一個統一各學科的綜合設計的平臺，已經成為工程和學術界所關注的重點.
作為多學科聯合仿真與優化技術的先驅者，Isight軟件為解決復雜系統的產品設計與工程開發提供多學科集成的優秀平臺.Isight軟件將數字技術、推理技術和設計搜索技術進行有效融合，將多學科專業軟件進行協同以驅動產品設計與優化，并且把原來需要大量人工完成的工作改由軟件自動進行處理.Isight軟件的使用可以大大縮短產品的開發與設計周期，顯著提高產品的質量與可靠性.
本文將Isight軟件作為實現ATC方法的優化仿真平臺.Isight軟件下為實現上述數值案例所構建的2層的ATC架構見圖3，包括系統層與子系統層，其中，子系統層由2個元素組成.
2.3優化結果分析
利用Isight優化軟件所構建的ATC仿真模型見圖4.系統級優化和子系統級優化均采用序列二次規劃優化算法（Sequential quadratic programming，SQP）.最后設計變量（x1，x2，…，x14）收斂，目標函數f=17.02，與該數值算例的最優值f=17.00非常接近.
圖 3Isight軟件下的ATC架構
圖 4ATC方法的Isight軟件實現
3工程案例分析
3.1問題定義
以純電動汽車動力總成優化設計為例，進一步說明ATC方法.純電動汽車動力總成的詳細結構見圖5，其動力總成類似傳統汽車的動力總成結構.
圖 5純電動汽車動力總成結構
車輛的基本參數與性能指標見表1.優化目標為在純電動汽車動力總成的制造成本與其使用成本之間取得設計平衡.基于ATC方法的2層電動汽車動力總成目標分解與架構設計方案見圖6.系統層以能耗仿真模型、動力總成成本模型和車輛性能仿真模型作為這一層級的分析模型.通過調用能耗仿真模型和動力總成成本模型可以分別得到使用成本和制造成本，將車輛性能仿真模型作為性能約束條件.[6]
3.2優化結果分析
優化前、后結果的對比見表2，可知，制造成本在整個成本構成中占據較大份額.通過對設計變量優化，使得使用成本和制造成本都有所下降，從而最終優化目標（總成本）也相應地有所下降，說明所提出的基于ATC優化設計方法得到預期效果.
表 2優化設計結果的對比名稱原始值優化值傳動比ig67.983 2電機轉子直徑d/m0.120.051 2電機轉子長度L/m0.128 70.138 1使用成本/元897.71893.73制造成本/元5 013.894 984.88總成本/元5 911.605 878.61
4結束語
目標分解方法是一種處理復雜系統產品設計與工程開發層次化架構的系統化方法，結合Isight優化軟件，對ATC方法進行充分的說明.
（1）對ATC方法的層次化架構進行詳細描述，并引出實施ATC方法的一般步驟.
（2）詳細論述ATC方法每層之間的信息傳遞，并給出ATC方法的一般數學表達式.
（3）基于Isight優化軟件，分別進行數值案例和工程案例的分析，充分說明ATC方法對解決復雜系統優化設計問題的有效性.參考文獻：
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