[發明專利]一種基于子結構貢獻度的橋梁結構優化方法

有效

• 申請號: 201910084386.1
• 申請日: 2019-01-29
• 公開（公告）號: CN109815601B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 檀永剛;閆曉豐;張哲;黃才良;邱文亮;譚巖斌;耿鐵鎖
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/20
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

一種基于子結構貢獻度的橋梁結構優化方法，提出子結構貢獻度的概念，對目標函數的貢獻度大的子結構得以保留，貢獻度小的排除掉，將保留下的子結構進行方案組合，再次排除掉對目標函數貢獻度小的子結構，以此類推，直接從剩余的子結構集合中任意取出所需個數的元素組成設計方案，計算出每種設計方案的目標函數，選擇其中足夠數量的可行解供人工選擇。本發明將優化算法與主觀判斷相結合，通過計算子結構對目標函數的貢獻度排除設計方案中可能出現的最差子結構，縮小計算樣本空間的規模。再將剩下的最優子結構進行方案組合，求出滿足設計條件的目標函數在一定帶寬范圍內的可行解的集合，再根據施工的可行性、美學等因素通過人工挑選，確定設計方案。

技術領域

本發明屬于橋梁設計和結構優化技術領域，具體涉及到一種基于子結構貢獻度的橋梁結構優化方法。

背景技術

優化設計方法是將優化原理與計算機技術相結合的一門綜合的應用工程技術，并且在設計領域得到了廣泛應用。隨著對各種復雜優化問題的不斷深入研究，傳統的研究方法面臨的瓶頸就日益顯著。傳統的優化方法在求解拱橋、桁架橋等多桿系結構的組合優化問題時，在求解的精度和收斂的速度方面都無法滿足實際問題的要求。其原因在于：(1)傳統的優化方法對初始值依賴大；(2)傳統的優化方法的搜索方向、步長的確定大都靠經驗，容易陷入局部最小值；(3)組合優化問題的計算量非常大。

橋梁結構的優化有其自身的特點：(1)主結構明確，都有一個承擔交通荷載的主梁，并且主梁的線形是確定，不允許做立面線形的優化，但可以進行主梁截面的形狀和尺寸優化；(2)子結構的形式多樣、富于變化，例如桁架橋的腹桿的布置方式、拱橋吊桿的布置方式，子結構布置方式的優劣決定了整個橋梁的受力是否合理；(3)橋梁不僅位移和內力要符合規范要求，而且還要考慮施工的可行性、工程造價及美學要求，但是施工的可行性及美學問題是無法進行計算的，所以必須引入人為的主觀判斷因素。因此，橋梁結構優化的目標是提供滿足優化條件的最優解及大量可以用來進行人工挑選的次優解。

發明內容

本發明提供了一種基于子結構貢獻度的橋梁結構優化方法。首先，將橋梁結構中已經確定好形狀，不需要進行組合優化的結構定義為主結構，如主梁結構、拱橋中的主梁和主拱結構、桁架橋的上下主弦桿結構；其次，在優化計算中，把依附于主結構上的需要變化調整的結構桿件定義為子結構，如纜索、吊桿桁架的腹桿等。在進行有限元計算時，主結構上有n個節點之間可以連接成m個桿系子結構，每一組連接方式就構成一個設計方案，理論上會有個不同的方案。根據每種方案計算出目標函數的值，就可以找出最優的方案。但是當n和m比較大時，理論上方案數非常大，遠遠超出計算的能力。本發明提出子結構貢獻度的概念，有兩個層次的含義：(1)指相同外力作用下，采用某種子結構時得到的目標函數值，以目標函數最優者貢獻度最大；(2)在子結構組合計算中，以可行解集合中出現某種子結構的概率大者貢獻度為大。在優化計算時，對目標函數的貢獻度大的子結構得以保留，貢獻度小的排除掉，將保留下的子結構進行方案組合，再次排除掉對目標函數貢獻度小的子結構，以此類推，直到剩余的子結構數量滿足計算機的計算能力的要求，即可以從剩余的n_k個子結構中任意取出m個子結構進行組合計算，得出最優解和滿足設計條件的目標函數在一定帶寬范圍內的可行解的集合。本發明的優點是將優化算法與主觀判斷相結合，通過計算子結構對目標函數的貢獻度排除設計方案中可能出現的最差子結構，縮小計算樣本空間的規模。再將剩下的最優子結構進行方案組合，求出滿足設計條件的目標函數在一定帶寬范圍內的可行解的集合，再根據施工的可行性、美學等因素通過人工挑選，確定設計方案。

本發明的技術方案：

一種基于子結構貢獻度的桁架優化方法，包括以下步驟：

S1：確定主結構的數量、子結構在主結構上可能連接的節點位置及數量；