空间网格结构基于离散变量的优化设计

空间网格结构离散变量的优化设计是空间网格结构的截面尺寸优化、形状优化、拓扑优化和布局优化的理论基础。本文在建立空间网格结构离散变量优化设计问题数学模型的基础上,分析了空间网格结构离散变量优化设计的特点和算法效率。文中采用相对差商法。对空间网格结构杆件截面尺寸的离散变量优化设计问题进行了研究和探讨。文章最后给出了两个算例,计算结果验证了本文理论的正确性和有效性。     

空间网格结构的多参数优化设计

空间网格结构优化的设计参数很多,如结构高度、网格数、构件截面尺寸等.这些参数的量级或量纲不同,优化比较困难.运用改进的遗传算法进行空间网格结构的形状和截面优化,考虑了结构变形、压杆稳定、长细比等约束条件.采用拉格朗日乘子法对约束条件和优化函数进行处理.得到用于分析的无约束函数,提高遗传算法的运行效率.使用MATLAB遗传算法工具箱提供的函数编制了包含连续、不连续实数变量和整数变量的混合变量编码的结构优化程序.箅例分析表明,程序可靠.算法收敛较快.     

索承网壳结构截面和预应力的优化设计研究

探讨了以预应力和截面尺寸为设计变量的索承网壳结构截面面积与索力同时优化的设计问题。建立了该结构优化设计的数学模型,采用分层优化算法进行求解。第一层以预应力为设计变量,采用基于连续变量的复形法求解;第二层以截面面积为设计变量,采用改进的离散变量两级优化方法求解。算例表明,方法具有较好的计算效率和收敛性,可供索拱结构、张弦梁结构等空间杂交索结构体系的优化设计借鉴。     

ANSYS环境下的网壳结构优化设计

以大型通用有限元分析软件ANSYS作为运行环境,介绍了ANSYS中结构优化的方法及步骤、网架优化设计中设计变量、状态变量及目标函数的选取.将网壳结构的杆件截面面积作为设计变量,以网壳结构的总质量为目标函数,同时考虑网壳结构的强度、刚度、稳定性、杆件截面尺寸等约束条件,以塔里木油田分公司塔里木生活基地体育馆工程中的球类馆为工程实例,分别在恒载 活载和风荷载两种工况下,对六榀主拱桁架用到的14种钢管截面进行优化,取得了较明显的效果.     

基于混合变量的预张力结构优化设计研究

探讨了以预张力和截面尺寸为设计变量的预张力结构优化设计问题.建立了预张力结构优化设计的数学模型,提出了基于混合变量的预张力结构优化设计的两级算法.第一级优化以预张力作为设计变量,采用基于连续变量的数学规划法进行搜索,第二级优化在固定预张力状态下,在构件截面尺寸变量级采用离散变量优化设计方法求解.从文中算例可看出,该方法具有较好的计算效率和收敛性.     

基于离散变量的桁架结构截面优化及软件实现

以杆件横截面为设计变量,以结构重量为目标函数,采用基于离散变量的序列两级优化方法对桁架结构进行优化设计;在优化设计过程中采用了0阶修正,并且利用PCL语言在有限元软件MSC．NASTRAN和MSC．PATRAN上开发出了解决含应力约束和位移约束的桁架结构离散截面优化问题的程序。     

深梁的非线性网格抗弯配筋设计方法

目前钢筋混凝土浅梁和深梁的配筋理论是不协调的。由于满足平截面假定,浅梁的抗弯配筋设计采用截面分析法。深梁不满足这个基本假定,因而难以应用基于截面分析的配筋设计方法。非线性网格模型将关心截面放入结构中,实现了统一的浅梁和深梁的配筋设计计算模型。通过非线性网格模型中的轴向网格与抗弯配筋计算联系,可自动地实现钢筋混凝土梁的抗弯设计。通过钢筋混凝土浅梁和深梁的设计算例证实了非线性网格抗弯配筋设计方法可以应用于浅梁和深梁,并能实现精细化地配筋设计。     

基于系统可靠度的空间网格结构优化分析

以空间网格结构的杆件截面为基本变量,提出了以结构的最小重量为目标函数,把结构系统的可靠度作为约束条件,采用改进的遗传算法的空间网格优化理论,从而避免了对结构系统可靠度进行复杂的敏度分析,降低了系统可靠度约束下的结构优化的难度。通过算例表明,优化结果令人满意,且收敛性较好,表明了该方法的可行性。     

基于蚁群算法的输电塔结构局部优化设计

提出了一种可同时求解结构截面、拓扑、形状和布局优化问题的基于蚁群算法的输电塔结构局部优化设计方法。在统一所有优化变量的基础上,将4类不同层次的优化问题统一为适用于蚁群算法求解的标准化旅行商问题,再采用MATLAB系统平台实现输电塔结构的优化设计和程序化,并以某实际工程为算例对局部优化方法进行验证。结果表明:提出的方法不仅可以简单高效地求解输电塔结构塔身局部的截面、拓扑、形状和布局优化问题,而且具有非常好的实用性和通用性,有望应用于完整的输电塔结构优化设计中。     

自由曲面索支撑空间网格结构形态优化

索支撑空间网格结构是一种新型的单层网壳形式,主要应用于玻璃采光顶结构中。由于目前对自由曲面索支撑空间网格结构形态方面的研究国内外还相对较少,为此提出了一套适用于该类结构的形态优化方法。该优化方法采用结构整体应变能为优化目标、结构高度为优化变量、共轭梯度法为优化算法。根据索支撑空间网格结构的建模方法,将优化结构整个曲面转化为优化结构的准线和母线。采用该方法对自由曲面索支撑空间网格结构进行形态优化研究,得到结论如下:首先,采用本文形态优化方法,收敛速度快,形态优化后结构的力学性能提高很大;其次,形态优化过程中平面四边形网格属性不变,优化变量少;最后,对优化后的离散网格重新进行拟合生成曲面,对该曲面重新划分网格,保证网格长度相等。重新划分网格为结构构件加工和施工提供了便利,而且结构力学性能削弱不大。     

基于生长空间限定与并行搜索的模拟植物生长算法的空间结构优化方法

为弥补传统设计理念和优化方法的不足,促进空间结构的发展与创新,结合前沿优化理论,依据模拟植物生长算法(PGSA)的基本原理,提出基于生长空间限定与并行搜索的模拟植物生长算法(GSL&PS-PGSA),并与空间结构优化相结合,建立了基于GSL&PS-PGSA的空间结构优化方法。给出了相应的结构优化流程,并采用MATLAB及ANSYS二次开发语言APDL编制了优化程序。通过单层球面网壳截面优化和弦支穹顶预应力优化的典型空间结构算例分析,结果表明：所提出的GSL&PS-PGSA为算法提供了有效的终止机制,且具有高效的计算效率及全局搜索能力;与遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)、ANSYS自带优化方法以及其他改进PGSA算法等相比,GSL&PS-PGSA的优化效果更为显著且具有明显优势;所建立的基于GSL&PS-PGSA的空间结构优化方法,可适用于各类传统和新型空间结构体系的优化问题。     

Optimal design of steel portal frames based on genetic algorithms

As for the optimal design of steel portal frames, due to both the complexity of cross selections of beams and columns and the discreteness of design variables, it is difficult to obtain satisfactory results by traditional optimization. Based on a set of constraints of the Technical Specification for Light-weighted Steel Portal Frames of China, a genetic algorithm (GA) optimization program for portal frames, written in MATLAB code, was proposed in this paper. The graph user interface (GUI) is also developed for this optimal program, so that it can be used much more conveniently. Finally, some examples illustrate the effectiveness and efficiency of the genetic-algorithm-based optimal program.     

Optimal design of steel portal frames based on genetic algorithms

As for the optimal design of steel portal frames, due to both the complexity of cross selections of beams and columns and the discreteness of design variables, it is difficult to obtain satisfactory results by traditional optimization. Based on a set of constraints of the Technical Specification for Light-weighted Steel Portal Frames of China, a genetic algorithm (GA) optimization program for portal frames, written in MATLAB code, was proposed in this paper. The graph user interface (GUI) is also developed for this optimal program, so that it can be used much more conveniently. Finally, some examples illustrate the effectiveness and efficiency of the genetic-algorithm-based optimal program.     

基于MATLAB的桁架结构优化设计

介绍了基于BP神经网络的全局性结构近似分析方法 ,解决了结构优化设计问题中变量的非线性映射问题。在此基础上 ,利用改进的遗传算法 ,对桁架结构在满足应力约束条件下进行结构最轻优化设计。利用Matlab的神经网络工具箱 ,编程求解了三杆桁架优化问题。     

输煤栈桥钢材选型的优化分析

针对输煤栈桥及支架用钢量偏大的问题,提出用等截面圆钢替代工字钢用于合理选取优化变量,及分段设置优化参数的方法,减少了栈桥及灯笼架结构优化所需要的优化变量。利用ANSYS软件中的优化技术,对某煤场输煤栈桥及支架方案的用钢情况进行了优化,分析了优化结果的静、动力特性,并与原方案进行了比较。优化后方案在最大变形、最大应力及动态特性等方面同原方案无明显差别或优于原方案,但各构件的承载能力得到更好的发挥,用钢总量较原方案明显减少。     

Comparative seismic design optimization of spatial steel dome structures through three recent metaheuristic algorithms

Steel dome structures, with their striking structural forms, take a place among the impressive and aesthetic load bearing systems featuring large internal spaces without internal columns. In this paper, the seismic design optimization of spatial steel dome structures is achieved through three recent metaheuristic algorithms that are water strider (WS), grey wolf (GW), and brain storm optimization (BSO). The structural elements of the domes are treated as design variables collected in member groups. The structural stress and stability limitations are enforced by ASD-AISC provisions. Also, the displacement restrictions are considered in design procedure. The metaheuristic algorithms are encoded in MATLAB interacting with SAP2000 for gathering structural reactions through open application programming interface (OAPI). The optimum spatial steel dome designs achieved by proposed WS, GW, and BSO algorithms are compared with respect to solution accuracy, convergence rates, and reliability, utilizing three real-size design examples for considering both the previously reported optimum design results obtained by classical metaheuristic algorithms and a gradient descent-based hyperband optimization (HBO) algorithm.     

Border-search and jump reduction method for size optimization of spatial truss structures

This paper proposes a sensitivity-based border-search and jump reduction method for optimum design of spatial trusses. It is considered as a two-phase optimization approach, where at the first phase, the first local optimum is found by few analyses, after the whole searching space is limited employing an efficient random strategy, and the second phase involves finding a sequence of local optimum points using the variables sensitivity with respect to corresponding values of constraints violation. To reach the global solution at phase two, a sequence of two sensitivity-based operators of border-search operator and jump operator are introduced until convergence is occurred. Sensitivity analysis is performed using numerical finite difference method. To do structural analysis, a link between open source software of OpenSees and MATLAB was developed. Spatial truss problems were attempted for optimization in order to show the fastness and efficiency of proposed technique. Results were compared with those reported in the literature. It shows that the proposed method is competitive with the other optimization methods with a significant reduction in number of analyses carried.     

型钢混凝土柱多目标优化设计方法研究

为探讨适用于组合结构构件的多目标优化设计方法,以型钢混凝土柱多目标优化设计为研究背景,在工程结构优化理论及组合结构设计理论的基础上,将优化目标设定为工程造价最小化和斜截面抗剪承载力最大化,采用线性加权法构造评价函数,通过调整加权系数来改变两个优化目标在优化中的重要程度,同时选择灵敏度较高的设计变量,综合考虑各种约束条件,给出了型钢混凝土柱多目标优化设计的数学模型,并借助复形法的优化思想,利用MATLAB编程求解有约束条件的非线性优化问题。优化设计实例表明,所采取的优化方法和优化思路对型钢混凝土柱优化设计是可行、有效的,可为组合结构构件的优化设计及工程应用提供参考。     

简支钢梁抗火设计的优化分析

本文基于“双重优化设计”概念给出了简支钢梁抗火优化设计方案,利用有限元软件ANSYS对简支钢梁分别在常温条件下和一定临界温度条件下进行了截面尺寸优化设计和抗火保护优化设计。通过计算,得到了高温下简支钢梁的抗火优化设计结果随温度变化的规律,并给出了选取较优设计方案的建议。分析结果表明,利用本文给出的优化方案可以得到安全、经济、可靠的设计结果,能够节省钢材用量和防火保护材料的用量。     

基于ANSYS的结构优化设计有限元分析

为验证ANSYS对结构优化设计的有效性，从理论上说明了结构优化设计的数学过程，介绍了ANSYS优化的相关概念、过程，结合某设计优化实例，为使用者提供了一套系统的思维模式，创造了良好的条件和方法。