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

Abstract

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。