该文在对框架结构截面和拓扑优化做了理论和方法研究的基础上,首次利用MSC.Patran&Nastran软件作为平台,开发了相应的软件,主要研究内容包括:1.框架结构截面优化的方法.1.1.框架结构截面优化模型的建立对不同性质的约束采用不同的处理方法:应力约束是局部性约束,为避免一阶近似带来的繁重计算量,将其按零阶近似处理,并借鉴满应力准则将应力约束转化为动态尺寸下限;位移约束作为全局性约束,不能采用零阶近似,根据单位虚载荷法将其显式化.通过上述对应力和位移约束的处理,建立了以结构重量为目标、满足应力和位移约束的框架结构的近似显式优化模型,并分别用截面惯性矩为设计变量和无量纲的设计变量进行了研究.1.2.优化模型的求解上述模型的求解难度会随着设计变量的增多而不断加大,求解效率也会随之降低.为了提高模型的求解效率,依据关系映射反演(RMI)的方法论思想,根据对偶理论求解原问题的对偶模型,通过在对偶空间迭代求解对偶模型得到原模型的解.1.3.近似射线步技术和删除无效约束技术近似射线步技术就是根据结构响应和约束的关系计算得到一个射线步系数,然后所有设计变量同时乘以这个系数将设计点从可行域外或可行域内拉到可行域边界附近,能有效降低每次迭代的计算量,使迭代过程更加平稳.删除无效约束技术就是在近似射线步以后,根据一定的准则,将约束分为无效约束和有效约束,删除无效约束,保留有效约束,减小优化模型的规模,提高求解效率.2.框架结构拓扑优化的方法.2.1.框架结构的拓扑优化模型的建立基于隋允康教授提出的ICM(Independent Continuous Mapping,即独立、连续、映射)方法,对单元重量、单元许用应力和单元刚度分别引入不同的过滤函数,把0-1型离散拓扑变量转化为[0,1]区间上的连续拓扑变量,建立了拓扑变量连续的优化模型.2.2.调整折减系数搜索最佳阈值为了能使程序快速准确的得到满足约束的最优拓扑结构,根据框架结构的特性引入结构非奇异、结构响应不被违背和结构重量不改变三个准则判断迭代收敛,并根据这三个准则的满足情况,在优化迭代过程中自适应的调整折减系数来搜索最佳阈值.2.3.删除单元的处理方法根据阈值可以将连续的拓扑变量回归为0-1型拓扑变量,拓扑变量为0的单元应该删除,但是如果直接将单元删除将会引起结构奇异、误删单元不能恢复等一系列的问题,而不能得到最优的拓扑结构.因而不能将单元真正删除,而是用非常"弱"的单元(对结构响应作用可以忽略的单元)进行处理.该文根据框架结构的特性提出了两种处理方法:"弱材料"单元法和"小截面"单元法.2.4.多工况拓扑优化问题的处理方法结构拓扑优化的本质是对结构最佳传力路径的寻求,多工况的拓扑优化问题涉及到多个最佳传力路径的权衡,处理的难度非常大,因此探索多工况下的优化策略十分重要.该文按局部性约束、全局性约束及两者的结合三种情况进行了处理:第一种情况按"包络法"和"平均法"两种方法进行数值实验比较;第二种情况按数学规划对多工况进行统一计算;第三种情况是对前二种情况的恰当综合.3.软件开发.根据上述模型和算法,对MSC.Patran&Nastran软件进行软件二次开发,以MSC.Nastran软件为有限元求解器,以MSC.Patran软件为开发平台,完成了框架结构截面和拓扑优化软件,能够对应力和位移约束下的框架结构进行截面和拓扑优化.算例表明该软件比MSC.Nastran的优化模块效率更高、结果更优.