结构优化设计是结构设计中设计概念与方法的革命,它是一种采用系统的、目标定向的和满足标准的科学设计方法,替代了传统的试验纠错的手工方法。结构优化设计本质上是寻求最好或最合理的设计方案,而优化方法便是达到这一目的的手段。虽然对大多数现实问题,尤其是大型复杂结构而言,由于目标函数复杂、设计变量繁多,资源(时间、成本)的耗费巨大,往往不可能得到一个“最理想”的设计结果,但它依然提供了指导思想与标准,形成了概念框架和运作手段。
结构优化设计最早源于马克斯威尔理论和米歇尔桁架,到现在已有100 多年历史,用数学规划来解决结构优化的计算亦有 60 多年,特别是过去 50 年来,结构优化设计在理论研究、算法设计和应用方面都取得了快速发展。有些实际结构问题往往十分复杂,受多方面因素(几何特征、载荷、材料、成本、环境等)的影响,因此在结构优化设计时必须抓住问题的主要方面和主要矛盾,删繁就简、进行抽象,形成数学模型,以便于实施优化。结构优化设计的价值取决于所建立数学模型和相应的寻优求解算法,特别是与所选用的设计变量、约束条件和规定目标函数或评价函数有密切关系。优化获得的最优解或最优设计只是一个相对的最优结果,仅仅是在所选用的约束与评价函数条件下,它才是最优的。
工程设计师们采用优化设计方法完成任务时,其中一个很重要的环节是如何在实际问题中建立比较准确的模型。由于实际问题的多样性,且各具特色,往往需要了解系统的方法与规则,以及适当地简化。事实上,只有加深对优化原理与方法的理解,通过实践逐步积累经验,才能掌握有关辨识问题、模型抽象、选择合适算法与求解的设计能力。
优化设计是一种“综合”,它要综合各方面的因素、要求和约束,以产生一个尽可能理想和满意的设计方案,显然其复杂程度要比单纯的分析难度大很多,计算工作量有量级上的差别,需要有高速、大容量的计算机和完善的软件支持,才能取得成效。