遗传算法在单层球壳质量优化中的应用

摘要: 经典遗传算法存在局部搜索能力不强,“早熟”现象和后期收敛速度放慢等缺陷,本文将自适应策略与“预选择机制”的小生境技术同时引入其中,加入小生境技术后可以避免陷入局部收敛的问题;在小生境遗传算法基础上加入自适应策略,实现对种群的杂交概率和变异概率进行自适应控制,从而形成一种改进小生境遗传算法,可以有效维持种群中个体的多样性,同时可以改善全局收敛的可靠性。通过三个典型算例验证了本文算法的正确性,并通过单层球壳的算例分析表明该方法稳定性好,全局搜索能力强,但在计算时间上长于ANSYS自带的优化模块。本文算法可以应用于优化变量繁多的大中型网壳结构截面优化问题,优化效果明显。     

静力荷载作用下基于敏感性的单层球壳冗余度分析方法研究

冗余特性是决定结构鲁棒性的重要因素,是损伤情况下结构安全性的体现。为合理评估单层球面网壳结构在静力荷载作用下的构件冗余度,本文以结构的应变对单元材料弹性模量的敏感性作为评价指标,综合考虑单元弹性模量的变化对结构的影响,给出了结构构件冗余度的评价方法。为验证方法的有效性,本文将其与利用结构极限承载能力的冗余度评价方法相比较。结果表明基于应变敏感性与利用极限承载能力分别计算的结构冗余度两者相一致。冗余度值的大小是结构单元重要性的衡量指标,冗余度值小的结构单元,其失效后将对结构整体性能产生重要影响,是结构的关键构件。     

单层球壳结构强震下倒塌模式的构件截面优化

以结构杆件重量最轻为优化目标,以杆件截面尺寸为优化变量,建立单层球壳结构倒塌模式优化模型。优化模型考虑长细比、挠度、杆件强度及稳定约束条件,保证优化后结构满足规范和规程要求,同时将构形度也作为约束条件,保证优化后结构在强震下呈现理想的、有征兆的强度破坏特征。针对遗传算法(GA)和模拟退火算法(SA)各自的优缺点,以遗传算法作为主体流程,将模拟退火算法的优化机制融入其中,建立遗传-模拟退火算法(GASA)。采用C++语言编写GASA计算程序,与APDL语言编写的有限元分析命令流相结合,得到GASA-ANSYS优化程序。采用该程序对跨度为70m的K6型单层球壳结构进行优化。通过对优化后结构进行构形易损性分析和地震动力时程分析,表明所提出的优化模型及优化程序能够解决大型单层球壳结构地震作用下倒塌模式的截面优化问题。     

TMD系统在单层球壳振动控制中的适用性分析

单层球壳结构的振型分布密集。耦联严重，对于这种结构采用ＴＭＤ系统减蜃 否合适。本文针对这一问题，在水平地震作用下，以三种形式的单层球壳为例进行了控制效果的分析，得出一些重要结论。     

单层柱面网壳强震失稳分析中考虑节点刚度影响的简化模型研究

在进行单层柱面网壳强震失稳分析时,采用能考虑球节点轴向刚度和弯曲刚度耦合的壳单元精细化模型固然好,但是壳单元模型的单元数目太多,相对于一般的梁单元简化模型的计算量是非常大的。然而,一般简化模型由于不考虑节点刚度的影响,强震下地震响应分析的结果误差又较大。因此,在简化网壳模型的基础上建立了能等效精细化网壳模型的相对简化模型,此模型在节点区域用梁单元代替空心球节点,通过减小节点区杆件的刚度,可以明显改善模型的分析精度,而且采用模型后计算量增加不大,所以此模型更适合进行此类结构的强震失稳分析。     

基于构形度的强震下单层球壳结构倒塌模式优化研究

基于杆系结构构形易损性理论,以构形度标准差最小为目标函数,以构件截面尺寸为优化变量,并考虑长细比、挠度、杆件强度及稳定约束条件,建立了单层球壳结构构形度优化模型。将遗传算法和模拟退火算法作为子算法,基于混合策略构造出遗传-模拟退火算法(GASA),并采用自适应策略降低算法对优化参数的依赖性。以跨度70m的单层球壳结构为例,通过凝聚过程分析识别结构存在的构形度不均匀区域。采用GASA算法对该区域的杆件截面进行构形度优化。通过对优化后结构凝聚过程分析和地震动力时程分析,表明优化模型和优化算法可以有效的解决优化变量繁多的大型单层球壳结构地震作用下倒塌模式的优化问题。     

考虑几何偏差及重力影响的单层网壳冲击相似律研究

根据Π定律,在考虑应变率效应的基础上,分别推导了考虑几何偏差和重力影响的相似律表达式。根据已有文献的试验模型,采用非线性有限元软件LS-DYNA建立数值模型进行对比,验证有限元分析方法的可靠性。在此基础上,分别考虑几何偏差和同时考虑几何偏差及重力的影响,建立分析模型对相似关系进行验证,并将计算结果与未修正模型进行对比。研究表明:当考虑几何偏差或同时考虑几何偏差及重力影响时,修正模型均能获得满足相似关系的结果,并较好地预测原型的动态响应,具有较高的精度;而未修正模型预测结果与原型误差很大,不能用于工程实践。     

K8型单层球面网壳顶点竖向冲击下的冲击荷载特征及荷载简化模型

为简化网壳结构遭受冲击作用时复杂的接触分析过程,基于ANSYS/LS-DYNA建立了单层K8型球面网壳模型,并模拟其在不同冲击作用下的失效过程,辨别网壳的失效模式,并获取了冲击过程中的冲击力曲线。通过对网壳遭受竖向冲击荷载下的这些冲击力曲线特征进行分析,提出了简化的冲击荷载模型,并应用能量守恒定律和动量定理确定了模型相关参数。利用此冲击力模型对网壳结构在冲击荷载下的响应进行分析并与实体冲击物作用下的响应进行了对比,验证了该模型的准确性,应用该模型可以实现对网壳抗冲击性能的简单有效评估。     

风荷载下单层柱面网壳的动力稳定

以一单层柱面网壳为例,利用Budiansky-Roth准则研究空间结构在风荷载下的动力稳定性。介绍了Budiansky-Roth准则,通过风洞试验获得单层柱面网壳上的风荷载并研究其动力稳定性,讨论了初始几何缺陷、风向角和风压系数的影响,并将动力失稳分析结果与我国规范和阵风响应因子法（GRF法）计算动力响应导致结构破坏的方法作了比较。研究结果表明,空间结构进行风荷载下的稳定性设计时有必要研究其在风荷载下的动力稳定性。     

基于构件冗余度均衡化的单层网壳结构优化研究

为实现单层网壳结构构件冗余度的均衡分布,减小构件间的重要性差异,提高结构抵抗荷载作用的能力。将基于灵敏度分析的构件冗余度评价方法应用到单层网壳结构中,以衡量构件在结构中的重要性;而后根据构件冗余度系数值的大小,将结构构件划分为重要构件、一般构件和次要构件三个不同层次的构件集合,实现结构构件的分类控制;在此基础上以构件的截面参数为优化变量,将结构构件的冗余度标准差与各层次构件的冗余度标准差之和最小化定义为目标函数,基于粒子群算法优化结构构件的截面参数。结果表明:构件的冗余度系数可以准确地反映构件在结构中的重要性及其破坏后对结构的影响程度,减小构件间的冗余度差异,可以实现结构构件截面尺寸的合理分布,有效提升结构的整体性能和极限承载力。     

Multi-objective optimization of a triple layer piezoelectric bender with a flexible extension using genetic algorithm

This article presents an electromechanical analysis for a piezoelectric bimorph actuator with a flexible extension, which is used to increase the tip deflection. The performance measuring attributes of such an actuator are derived, and a genetic algorithm is used for multi-objective optimization. The analysis reveals that for a thick flexible extension, the length of the extension provides Pareto optimal solutions for multi-objective optimization. The analysis also shows that as the thickness of the flexible extension decreases, the Pareto optimal solutions converge to a single solution for multi-objective optimization. We have considered nonlinear deflection behavior of piezoelectric materials at high electric fields, and series and parallel electrical connections in the analysis.     

基于多目标遗传算法的实验目标车底盘结构优化

在实际道路上开展实验目标车碰撞试验是智能汽车开发过程中的重要测试手段之一.为保证智能汽车的安全性,实验目标车的底盘必须具有抵抗较大碾压冲击的能力.由于实验目标车底盘的碾压过程涉及接触非线性和几何非线性等问题,仅基于仿真分析对其进行结构设计和优化存在较大困难.为此,首先采用显式非线性有限元法对实验目标车底盘的抗碾压性能进...     

基于流固耦合与多目标拓扑优化的低噪声塑料机油冷却器盖优化设计

机油冷却器盖属于薄壁件,距离振动激励源较近,容易产生较大的振动噪声,且内腔冷却液的存在对机油冷却器盖的振动噪声有着很大的影响。为有效的对塑料机油冷却器盖的振动噪声进行仿真研究及优化,将流体冲击压力作为预应力的同时,结合塑料机油冷却器盖与内腔流体的流固耦合模型,采用流固耦合的方法对塑料机油冷却器盖的振动噪声水平进行了预测评估;根据预测结果,识别出对噪声贡献度较大的耦合模态频率;以降低塑料机油冷却器盖整体噪声为总目标,以提高各贡献度较大的耦合模态频率为子目标,利用加权指数法建立了多目标优化函数,对塑料机油冷却器盖结构进行了多目标拓扑优化。结果表明,优化后降噪效果明显,总声功率级降低了1.79 dB。     

基于有限质点法的单层球面网壳强震作用下连续倒塌破坏研究

有限质点法是以向量式结构力学为基础的崭新的结构分析方法。该文以该方法为基础,综合考虑结构的几何非线性、材料非线性和构件断裂,研究单层球面网壳结构在地震作用下的连续倒塌破坏全过程。该文介绍了有限质点法的基本理论,提出了该方法分析结构非线性问题和断裂问题的具体思路。采用直接输入法输入地震波,利用自编程序实现了单层球面网壳结构倒塌全过程模拟。研究了矢跨比对球面网壳强震作用下倒塌性能的影响,讨论了结构的倒塌时间和倒塌模式,并基于结构的倒塌模式通过局部加强法对单层球面网壳结构进行了抗倒塌设计。     

基于改进粒子群算法的最小二乘影响系数法的理论及实验研究

针对最小二乘影响系数法平衡过程中出现的某些测点残余振动较大及平衡质量较大等问题,将一种基于遗传交叉因子改进的粒子群算法引入到转子动平衡最小二乘影响系数法中。实例计算说明改进后的算法具有很好收敛特性和全局搜索能力,与基本最小二乘影响系数法计算结果相比,有效降低最大配重质量和最大残余振动大小。通过实验验证了结果的正确性和方法的可行性。     

A new algorithm for the robust optimization of rotor-bearing systems

This article presents a new algorithm for the robust optimization of rotor-bearing systems. The goal of the optimization problem is to find the values of a set of parameters for which the natural frequencies of the system are as far away as possible from the rotational speeds of the machine. To accomplish this, the penalization proposed by Ritto, Lopez, Sampaio, and Souza de Cursi in 2011 is employed. Since the rotor-bearing system is subject to uncertainties, such a penalization is modelled as a random variable. The robust optimization is performed by minimizing the expected value and variance of the penalization, resulting in a multi-objective optimization problem (MOP). The objective function of this MOP is known to be non-convex and it is shown that its resulting Pareto front (PF) is also non-convex. Thus, a new algorithm is proposed for solving the MOP: the normal boundary intersection (NBI) is employed to discretize the PF handling its non-convexity, and a global optimization algorithm based on a restart procedure and local searches are employed to minimize the NBI subproblems tackling the non-convexity of the objective function. A numerical analysis section shows the advantage of using the proposed algorithm over the weighted-sum (WS) and NSGA-II approaches. In comparison with the WS, the proposed approach obtains a much more even and useful set of Pareto points. Compared with the NSGA-II approach, the proposed algorithm provides a better approximation of the PF requiring much lower computational cost.     

应用遗传算法和神经网络的工程电梯传动机构模糊优化设计

 考虑到影响设计的某些因素很难用确定数值表示,以工程电梯传动机构中蜗轮齿冠体积最小为优化目标,建立了模糊优化设计的数学模型。采用二级模糊综合评判法按最大隶属度原则求出最优水平截集,将模糊优化问题转化为普通优化问题。另外,通过神经网络方法得出网络权值和阈值以拟合待求系数,并采用加法形式的惩罚策略来构造带有惩罚项的适值函数,应用Matlab遗传算法工具箱寻求问题最优解,从而提高设计精度和搜索效率。     

基于演化算法的带频率约束的桁架结构形状和尺寸优化

具有频率约束的桁架结构形状和尺寸优化设计是一个难度大的非线性动力优化问题。形状和尺寸变量的耦合通常导致收敛困难,而频率约束则使得动力灵敏度分析困难,传统的优化准则法和数学规划法难于求解。将单纯形算法、子空间变维技术、均匀变异有机融入郭涛算法,提出一种混合演化算法,避开繁琐的动力灵敏度分析,简单、有效地求解这类桁架形状和尺寸优化问题。典型的桁架算例验证了算法的有效性和可靠性。