結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的遺傳演化算法研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目前正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，工程師們?cè)絹碓蕉嗟匾庾R(shí)到合理設(shè)計(jì)方法的重要性，追求以最小的代價(jià)獲取最大的利益。過去幾十年間連續(xù)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化方法有很大的發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷拓廣，特別是在航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域重量的減輕對(duì)設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，優(yōu)化方法的應(yīng)用已頗為成熟。與其它領(lǐng)域相比，工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用的重要性尚未得到足夠的重視，發(fā)展相對(duì)緩慢，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍停留在依靠工程師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)分析試算的階段。目前我國(guó)仍處在建設(shè)高潮期，據(jù)建設(shè)部的預(yù)測(cè)，

2、至2020年建筑工程面積將達(dá)到300億平米，這種情況對(duì)于我們這樣一個(gè)資源相對(duì)匱乏的國(guó)家，在建筑工程領(lǐng)域發(fā)展和應(yīng)用最優(yōu)設(shè)計(jì)方法已迫在眉睫，為此本文針對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中較難的拓?fù)鋬?yōu)化問題展開研究。 目前求解拓?fù)鋬?yōu)化問題能力較強(qiáng)的算法有演化結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法(ESO算法)、均勻化方法、密度函數(shù)法、仿生學(xué)算法等，其中演化結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法(ESO算法)以其概念清晰、規(guī)則簡(jiǎn)單、計(jì)算方便的優(yōu)點(diǎn)受到很多學(xué)者的青睞，但同時(shí)又因不能保證所得解為最優(yōu)解受到一些學(xué)

3、者的質(zhì)疑。遺傳算法(GA)屬于仿生學(xué)算法，近年來的研究表明它具備找到最優(yōu)解的長(zhǎng)處。但遺傳算法本身并不具有明確的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的背景，雖然在計(jì)算數(shù)學(xué)層面上它能有效地解決組合優(yōu)化的一些問題，具體應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程時(shí)，由于計(jì)算太耗時(shí)僅限于桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，無法進(jìn)一步拓展到平面或空間結(jié)構(gòu)。本文在這兩種算法的基礎(chǔ)上首次提出了一種新的拓?fù)鋬?yōu)化方法“遺傳演化算法(GESO算法)”，遺傳演化算法繼承了演化結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法的靈敏度計(jì)算方法和基本步驟，從一個(gè)包含了最優(yōu)

4、解的初始設(shè)計(jì)域出發(fā)，根據(jù)遺傳算法優(yōu)勝劣汰的思想，以選擇、變異、雜交等遺傳算子決定單元的取舍，避免了錯(cuò)誤的單元舍去，保證了算法所得解的最優(yōu)性。新的遺傳演化算法所得解的質(zhì)量均好于原有的演化結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，同時(shí)計(jì)算效率又高于遺傳算法。本文在提出新算法后，詳細(xì)研究了算法中各計(jì)算參數(shù)對(duì)算法性能的影響，結(jié)果表明新算法魯棒性好，最優(yōu)解對(duì)計(jì)算參數(shù)不敏感，采用不同計(jì)算參數(shù)時(shí)均能找到最優(yōu)解。 本文所做的另一項(xiàng)具有創(chuàng)新性的工作是利用Michell準(zhǔn)則與

5、遺傳演化算法聯(lián)合尋優(yōu)。Michell準(zhǔn)則是澳大利亞工程師Michell 1904年用數(shù)學(xué)解析方法研究的最優(yōu)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的條件，符合這一條件的結(jié)構(gòu)稱為Michell桁架。然而直接由Michell準(zhǔn)則建立Michell桁架十分難，目前缺乏有效的求解方法。本文一方面采用已有的多個(gè)符合Michell準(zhǔn)則的虛應(yīng)變場(chǎng)檢驗(yàn)校核了遺傳演化算法所得解的最優(yōu)性，另_方面通過遺傳演化算法得到了新的符合Michell準(zhǔn)則的實(shí)際結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步獲得不同類型Miche

6、ll桁架打下基礎(chǔ)。本文重點(diǎn)研究了兩點(diǎn)或多點(diǎn)鉸支條件下平面結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的優(yōu)化拓?fù)?，根?jù)Michell準(zhǔn)則和遺傳演化算法計(jì)算結(jié)果，歸納并發(fā)現(xiàn)這類結(jié)構(gòu)的優(yōu)化拓?fù)渌鶓?yīng)遵循的規(guī)律。本文作者認(rèn)為兩點(diǎn)或多點(diǎn)鉸支條件下的平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化拓?fù)渲饕譃閮深?，一類由直線和圓組成，一類結(jié)構(gòu)由曲線組成，曲線形狀大多類似于理論推導(dǎo)過的“Michell懸臂”曲線或圓滾線，這些結(jié)論對(duì)工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化的概念設(shè)計(jì)具有重要意義。遺傳演化算法被證明能方便地用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

7、的配筋優(yōu)化，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由兩種不同的材料組成，而且由于混凝土開裂和鋼筋的屈服，材料表現(xiàn)出非線性特性，配筋優(yōu)化計(jì)算時(shí)是否考慮兩種材料的區(qū)別，是否考慮材料的非線性成為焦點(diǎn)。為此，本文設(shè)計(jì)了三套方案進(jìn)行配筋優(yōu)化，運(yùn)算表明，不區(qū)分兩種材料的差別，不考慮材料的非線性的方案是最適合遺傳演化算法的方案，計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果實(shí)用。因?yàn)檫z傳演化算法擅長(zhǎng)建立桁架模型，構(gòu)件達(dá)到承載力極限狀態(tài)時(shí)，荷載可認(rèn)為是通過由鋼筋拉桿和未開裂的混凝土壓桿組成的拉壓模型傳遞，構(gòu)