以有限元素套裝軟體為分析引擎之最佳化設計系統架構開發

Development of a System Framework for Optimal Design Using Finite Element Package as the Analysis Engine

李宗豪(Chung-Hao Lee)

指導教授 ： 呂良正

國立臺灣大學/工學院/土木工程學研究所/碩士(2005年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2005.00702

摘要

由過去的結構最佳化設計之文獻，可以發現大部分處理的設計問題為線彈性構架結構(frame structures，包括桁架、梁、柱結構等)，探討其原因主要是由於最佳化的研究者對於分析門檻較高的板、殼結構或是非線性(材料非線性、幾何非線性)等問題，需要花費比開發最佳化分析程式多上數十倍的時間。而使用有限元素套裝軟體就能很容易地解決這類複雜的問題；然而，如何在沒有套裝軟體的程式原始碼之情況下，有效地整合套裝軟體於最佳化設計中，將是一個有待解決的課題。再著，要能整合不同的最佳化分析程式與不同的有限元素套裝軟體，需要提供一個具有彈性、容易擴充的介面來處理兩者於溝通、訊息傳遞上的困難。

本文利用較新的軟體設計與開發的技術：物件導向技術(object-oriented technique)、物件導向分析與設計(Object-Oriented Analysis and Design, OOAD)、設計模式(design patterns)、UML圖形等，提出一個重複性分析的最佳化設計軟體系統架構，透過套用Bridge pattern與Strategy pattern兩個設計模式，使得軟體系統更具有彈性及擴充性。此最佳化設計系統結合了兩個有限元素商業軟體ABAQUS和ANSYS、以及四個最佳化分析程式，分別為CFSQP、IMSL函式庫、基因演算程式、ESO程式，使其能夠應用到文獻中常探討的不同類型(包括尺寸類、形狀類、拓樸類)之結構最佳化設計上。

本文另一個重點則是利用有限元素套裝軟體強大的分析能力，將最佳化設計應用到較複雜的問題及不同領域的物理問題上，例如：探討多重載重問題之最佳化設計、非線性問題之最佳化設計、板與殼結構之最佳化設計、熱傳問題之最佳化設計、以及電場問題之最佳化設計等。

關鍵字

最佳化設計系統 ； 有限元素套裝軟體 ； 物件導向技術 ； 物件導向分析與設計

並列摘要

無資料

並列關鍵字

Optimal Design System ； Finite Element Package ； Object-Oriented Technology ； Object-Oriented Analysis and Design

參考文獻

張民昆 (2004)，應用有限元素軟體ABAQUS於結構最佳化設計之系統開發，國立台灣大學土木工程學研究所碩士論文。

林旭信 (2005)，都市雨水下水道系統最佳化操作模擬，國立台灣大學土木工程學研究所博士論文。

Ali, N., Behdinan, K. and Fawaz, Z. (2003), “Applicability and viability of a GA based finite element analysis architecture for structural design optimization,” Computers and Structures, Vol. 81, No. 22-23, pp. 2259-2271.

Arora, J. S. (1989), Introduction to Optimum Design, McGraw-Hill, Singapore.

Bendøe, M. P. and Kikuchi, N. (1988), “Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method,” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 71, No. 2, pp. 197-224.