周中波 周圓兀
【摘要】懸臂梁結構優(yōu)化在工程中很有實踐意義的。本文對受應力約束、位移約束的一個懸臂梁結構進行了以重量最小化為目標的計算。因為python有很豐富的工具包,而且是免費的,近幾年得到了廣泛的應用。本文通過實例說明,基于python,分別用序列二次規(guī)劃算法、遺傳算法、遺傳算法結合二次規(guī)劃算法進行優(yōu)化,都可以解決桁架優(yōu)化問題,并進行對比分析。
【關鍵詞】懸臂梁;python;序列二次規(guī)劃;遺傳算法
1、引言
作為土木工程中最重要的問題之一,結構的優(yōu)化歷來得到學者和工程師們的青睞。受到材料強度、位移等的制約,滿足還有其它設計要求情況下,在無數(shù)可行方案中,尋找最好的方案。借助計算機高級語言編程,可以快速找到最優(yōu)方案。Python是最近幾年在計算機高級語言流行排行榜名次猛升,其計算生態(tài)急劇龐大,越來越豐富,并且還免費,自然受到了廣大科學工作者的高評。
參數(shù)識別是工程結構中重要部分[1-3]。文獻[1]利用結構的實測信息結合優(yōu)化算法對有限元模型中的參數(shù)進行識別,用有模型損傷方法,建立了有限元模型、確定待修正的參數(shù)、構造優(yōu)化目標函數(shù)。對板殼結構、房屋結構、斜拉橋、桁架等進行優(yōu)化也在工程和理論探索中經(jīng)常用到[4-6]。
遺傳算法(GA)與傳統(tǒng)算法相比,對目標函數(shù)要求沒有那么嚴格,只需可以計算,不需要梯度等信息。文獻[7-10]基于遺傳算法結構,對結構進行了優(yōu)化。
2、一個懸臂梁重量最小化問題
某懸臂梁如圖1,由兩段不同截面大小的長度都為L的梁組成,左端固定,右端受豎直向下的力F作用。每段橫截面都為空心正方形,每段厚度均為t,橫截面邊長為xi(i=1,2),設t< 根據(jù)文獻[11],其非線性規(guī)劃模型為: 3、優(yōu)化結果和討論 已知L=0.5m,t=0.005m,材料密度ρ=7850kg/m3,δ0=0.1m,E=200GPa,F(xiàn)=10000 N。采用序列二次規(guī)劃算法,用十個不同的初始點(0-10之間的隨機數(shù)),基于python,對這個結構進行了優(yōu)化。十個不同初始點,都得到最優(yōu)解[0.0254,0.0413]、最優(yōu)值5.2402,即使初始點不滿足約束條件,也能很好的搜索到滿意的結果。可見這個方法是有效的。 表1是GA算法和GA+SQP算法10次優(yōu)化計算的結果(初始群體個數(shù)均為50)從表中可以看出,兩種方法最優(yōu)值都接近理論最優(yōu)值,GA+SQP算法最優(yōu)值略好于GA算法(因為標準差更小);兩種方法最優(yōu)解都接近理論最優(yōu)解,但GA+SQP算法略好于GA算法(因為標準差更?。?/p> 參考文獻: [1]白魯帥,李鋼,靳永強,等.一種隔離損傷的桁架結構性態(tài)識別方法[J].工程力學,2019,36(01):56-63. [2]朱旭東,呂西林.多自由度非線性結構參數(shù)識別的魯棒性研究[J].中南大學學報:自然科學版,2013(01):308-313. [3]李宏男,林世偉,伊廷華.基于靜力虛擬變形法的結構損傷識別研究[J].建筑科學與工程學報,2016,33(05):1-6. [4]武彥章.建筑工程中結構設計優(yōu)化方法的應用[J].建筑設計管理,2017,000(012):76-78. [5]朱潤,隋允康.基于ICM方法的多工況位移約束下板殼結構拓撲優(yōu)化設計[J].固體力學學報,2012(1):81-90. [6]隋允康,管昭,杜家政,等.位移、應力、尺寸約束下二維連續(xù)體的形狀優(yōu)化[J].工程設計學報,2005(03):17-24. [7]李健.橋梁結構動力有限元模型修正方法的對比研究[J]. [8]金聰.利用進化規(guī)劃和逐步二次規(guī)劃實現(xiàn)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡的結構優(yōu)化[J].系統(tǒng)工程理論與實踐(2):106-110. [9] A.N. Ede, O.O. Oshokoya, J.O. Oluwafemi, et al. Weight Optimization of Square Hollow Steel Trusses Using Genetic Algorithm. 2018, 413(1) [10] Wenjie Zuo, Changfeng Zhao, Liming Zhou, et al. Comparison of gradient and nongradient algorithms in the structural optimization course. 2019, 47(3):275-290. [11]蘇文政,劉書田.Anders Klarbring著,翻譯.結構優(yōu)化導論 翻譯版[M].北京:機械工業(yè)出版社.2017. 基金項目: 本工作得到2018年第二批產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目(編號:201802151023)的資助。