單層球面網(wǎng)殼的選型優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一類有活力的、適應(yīng)性很強(qiáng)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(jì)方法使設(shè)計(jì)工作量繁重，同時(shí)受時(shí)間和費(fèi)用的限制難以進(jìn)行多方案比較，這樣往往導(dǎo)致最終的設(shè)計(jì)方案并非是最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。雖然國內(nèi)有些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件有結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。對(duì)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(jì)算模型為空間梁?jiǎn)卧?，其承載力不僅取決于桿件的強(qiáng)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(jì)過程中必須考慮其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定以及幾何尺寸等約束條件。同時(shí)，單層網(wǎng)殼的每根桿件還要符合現(xiàn)有的規(guī)格和型號(hào)，即單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于離散變量結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。 近年來發(fā)展起來的遺傳算法是基于生物進(jìn)化論中自然遺傳機(jī)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(shí)使

3、用的是將變量編碼形成的二進(jìn)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(jì)。它的尋優(yōu)搜索是由目標(biāo)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(duì)目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)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(qiáng)的全面優(yōu)化性能，能收斂至全局最優(yōu)點(diǎn)。 本文采用改進(jìn)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(jì)算程序，可以實(shí)現(xiàn)單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 理論和實(shí)踐都表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yuǎn)未達(dá)到與這門學(xué)科當(dāng)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(jì)會(huì)過度降低結(jié)構(gòu)的安全度。為此，通過對(duì)按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范優(yōu)化設(shè)計(jì)的單層球面網(wǎng)殼和按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)但未經(jīng)優(yōu)化的單層球面網(wǎng)殼用ANSYS軟件進(jìn)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(jì)荷載之比，以比較它們的受力和安全性能，從而驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性和各類型網(wǎng)殼的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的優(yōu)劣。 本文通過單層球面網(wǎng)殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)程序，和設(shè)計(jì)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(jìn)行離散變量的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)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(dá)到最優(yōu)解的90％左右，但要尋找真正的最優(yōu)解，對(duì)于單層網(wǎng)殼這種超靜定、強(qiáng)約束結(jié)構(gòu)是要花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間，這是由于自適應(yīng)遺傳算法擅長(zhǎng)全局搜索，而局部搜索能力不強(qiáng)。事實(shí)上，對(duì)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(gè)近似最優(yōu)解，已經(jīng)達(dá)到自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(chǔ)備也同時(shí)有大幅度的降低；但優(yōu)化設(shè)計(jì)的網(wǎng)殼的屈曲荷載與設(shè)計(jì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)荷載的比值是不同的。矢跨比越大，其屈曲荷載與設(shè)計(jì)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(chǔ)備。當(dāng)網(wǎng)殼的矢跨