單層球面網(wǎng)殼的選型優(yōu)化設(shè)計.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一類有活力的、適應(yīng)性很強的、方興未艾的空間結(jié)構(gòu)型式,其應(yīng)用前景非常廣闊。目前,單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大跨度建筑結(jié)構(gòu)中。而單層網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)形式多種多樣,傳統(tǒng)的設(shè)計方法使設(shè)計工作量繁重,同時受時間和費用的限制難以進行多方案比較,這樣往往導(dǎo)致最終的設(shè)計方案并非是最優(yōu)設(shè)計方案。雖然國內(nèi)有些結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件有結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模塊,但大多都采用滿應(yīng)力優(yōu)化技術(shù),只能有效應(yīng)用于約束條件較少和簡單的結(jié)構(gòu)。對像單層網(wǎng)殼這樣的結(jié)構(gòu),其效果并不好。單層網(wǎng)

2、殼結(jié)構(gòu)的每根桿件的有限元力學(xué)計算模型為空間梁單元,其承載力不僅取決于桿件的強度,而且還取決于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。在單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中必須考慮其強度、剛度、穩(wěn)定以及幾何尺寸等約束條件。同時,單層網(wǎng)殼的每根桿件還要符合現(xiàn)有的規(guī)格和型號,即單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計屬于離散變量結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題。 近年來發(fā)展起來的遺傳算法是基于生物進化論中自然遺傳機制的優(yōu)化算法。主要包括再生、交叉和變異等過程。遺傳算法在搜索時使

3、用的是將變量編碼形成的二進制串值,故此算法既可適用于連續(xù)變量也可應(yīng)用于離散變量,甚至非數(shù)值變量的優(yōu)化設(shè)計。它的尋優(yōu)搜索是由目標函數(shù)值引起的,不使用其它輔助信息,也不要求導(dǎo)數(shù)信息,因而對目標函數(shù)、設(shè)計變量及可行域無特殊要求,具有廣泛的適用性,可以處理各類優(yōu)化問題,尤其適用于傳統(tǒng)的搜索方法解決不了的復(fù)雜和非線性問題。它具有較強的全面優(yōu)化性能,能收斂至全局最優(yōu)點。 本文采用改進的自適應(yīng)遺傳算法來解決單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件截面優(yōu)化問題。并

4、根據(jù)本文介紹的算法,采用VC++語言編寫了相應(yīng)的自適應(yīng)遺傳算法和有限元計算程序,可以實現(xiàn)單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的自動優(yōu)化設(shè)計。 理論和實踐都表明,優(yōu)化設(shè)計方法能收到很好的效果。但是由于各方面的原因,這種應(yīng)用還遠未達到與這門學(xué)科當前發(fā)展水平相適應(yīng)的程度。原因之一就是怕這種設(shè)計會過度降低結(jié)構(gòu)的安全度。為此,通過對按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范優(yōu)化設(shè)計的單層球面網(wǎng)殼和按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范設(shè)計但未經(jīng)優(yōu)化的單層球面網(wǎng)殼用ANSYS軟件進行考慮幾何非線性的屈曲分析

5、,確定其屈曲荷載與設(shè)計荷載之比,以比較它們的受力和安全性能,從而驗證優(yōu)化設(shè)計的可靠性和各類型網(wǎng)殼的技術(shù)經(jīng)濟性能的優(yōu)劣。 本文通過單層球面網(wǎng)殼的優(yōu)化設(shè)計和屈曲分析,取得了以下幾方面的研究結(jié)論: ①根據(jù)自適應(yīng)遺傳算法的實現(xiàn)技術(shù)和有限元結(jié)構(gòu)分析理論編制的基于自適應(yīng)遺傳算法的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序,和設(shè)計的不同跨度和矢跨比的K6-7型和K8-7型網(wǎng)殼優(yōu)化算例的結(jié)果表明:采用自適應(yīng)遺傳算法進行離散變量的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化設(shè)計原理簡單,

6、容易收斂,結(jié)果可靠,優(yōu)化效果良好;自適應(yīng)遺傳算法可以以極快的速度達到最優(yōu)解的90%左右,但要尋找真正的最優(yōu)解,對于單層網(wǎng)殼這種超靜定、強約束結(jié)構(gòu)是要花費更長時間,這是由于自適應(yīng)遺傳算法擅長全局搜索,而局部搜索能力不強。事實上,對于這樣的結(jié)構(gòu),要找到其真正的最優(yōu)解,其它優(yōu)化算法也是難以做到的。如果能以較快的速度找到一個近似最優(yōu)解,已經(jīng)達到自動優(yōu)化設(shè)計的目的。 ②非線性分析結(jié)果:按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范優(yōu)化設(shè)計的網(wǎng)殼的屈曲荷載比按照現(xiàn)行相關(guān)

7、規(guī)范設(shè)計但未經(jīng)優(yōu)化的網(wǎng)殼的屈曲荷載有大幅度的降低,即其安全儲備也同時有大幅度的降低;但優(yōu)化設(shè)計的網(wǎng)殼的屈曲荷載與設(shè)計荷載的比值高于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中5倍值的限制。這證明如果按現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范進行優(yōu)化設(shè)計,是能滿足規(guī)定的安全要求的。 ③相同結(jié)構(gòu)類型、相同跨度的網(wǎng)殼隨著矢跨比不同,其優(yōu)化后的屈曲荷載與設(shè)計荷載的比值是不同的。矢跨比越大,其屈曲荷載與設(shè)計荷載的比值也越大,這就表明大矢跨比網(wǎng)殼要比小矢跨比網(wǎng)殼具有更高的安全儲備。當網(wǎng)殼的矢跨

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