[發明專利]一種混凝土構件設計的靜動力多目標拓撲演化方法

有效

• 申請號: 202010131326.3
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111353246B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 張鵠志;馬哲霖;張棒;王熙
• 申請（專利權）人: 湖南科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/13;G06F119/14
• 代理公司: 長沙惟盛赟鼎知識產權代理事務所(普通合伙) 43228
• 代理人: 姚亮梅

本發明涉及土木工程的結構優化設計技術領域，公開了一種混凝土構件設計的靜動力多目標拓撲演化方法，具體包括以下步驟：S1：定義初始設計域，載荷和邊界條件，設定非劣解控制閾值，進化率和收斂狀態控制閾值及相關參數，利用Ansys建立有限元模型并離散結構；S2：選擇所有活單元進行有限元分析；S3：進行靜力分析和模態分析，計算單元的應變能靈敏度，然后利用Matlab對模態分析結果進行處理，計算單元的頻率靈敏度，將數據返回Ansys中；S4：對頻率靈敏度和應變能靈敏度進行歸一化無量綱處理；S5：根據設置的篩選參數篩選劣等單元并刪除；S6：對下一次迭代的刪除率進行計算；S7：重復循環S3~S6步，直到結構滿足收斂準則。本發明可使優化結果滿足工程設計需求。

技術領域

本發明涉及土木工程的結構優化設計技術領域，尤其涉及一種混凝土構件設計的靜動力多目標拓撲演化方法。

背景技術

近年來，鋼筋混凝土構件設計的傳統方法較為保守，力學支撐不足，而拓撲優化正好在這一方面表現出較強的能力，由此，這類前沿方法在工程設計領域的應用研究開始受到關注。

目前拓撲優化方法主要分為離散體拓撲優化和連續體拓撲優化，前者以Michell提出的最小質量桁架解為主，后者以Xie等人提出的針對剛度約束的漸進結構優化(簡稱ESO)算法和M.P.等提出的帶有懲罰因子的勻質材料法(簡稱SIMP法)為主。其中ESO算法因其計算簡便，穩定性強，得到了國內外學者廣泛關注，在發展中逐漸演變出了反向漸進結構優化算法(簡稱AESO)，雙向漸進結構優化算法(簡稱BESO)、遺傳演化優化算法(簡稱GESO)和加窗漸進結構演化優化算法(簡稱WESO)等多種算法。隨后，Xie等人在ESO算法的基礎上提出了提高結構一階主頻的動力學優化算法，宋潔等人在ESO算法基礎上提出了二次靈敏度概念，對靈敏度計算進行了修正。孫艷想等則在BESO算法的基礎上開展了結構動力學拓撲優化研究，并加入了靈敏度平滑技術使得優化和迭代過程更加穩定。Lee等人利用懲罰因子完成了深梁最大化自然頻率的拓撲優化。D.Tcherniak利用拓撲優化技術對線性諧振馬達進行最大頻率的幅值優化。

當前大多鋼筋混凝土構件拓撲優化僅針對單一靜力目標或動力目標，優化結果受到局限。

如中國專利公告號CN 109299519 A公開了一種混凝土構件拓撲拉壓桿加窗漸進結構優化的方法，包括建立分離式模型，定義模型的初始條件；劃分好有限元單元，通過有限元單元計算出全部單元的米塞斯應力；利用公式和計算出結構的整體平均應變能及其淘汰單元應變能控制參量，刪除設計區域內應力值低于平均應變能的單元并且記錄刪除單元的數量：將刪除的單元數與全部單數比較；根據單元刪除率調整單元刪除數量；重復以上步驟，直到優化的結果大于或等于CV，迭代停止。該方案沒有利用多目標優化問題模型解決混凝土構件設計問題，未將靜動力優化結合起來，不利于工程實際應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種混凝土構件設計的靜動力多目標拓撲演化方法，經分析，該方法以ESO算法為基礎，結合單目標剛度優化算法和頻率優化算法得到歸一化后增大結構剛度和一階固有頻率的靜動力拓撲優化算法，能將靜動力優化結合起來，可拓展優化算法的應用范圍，同時使優化結果滿足工程設計需求。

為解決上述問題而采用了一種混凝土構件設計的靜動力多目標拓撲演化方法，具體包括以下步驟：

S1：定義初始設計域，載荷和邊界條件，設定非劣解控制閾值，進化率和收斂狀態控制閾值及相關參數，利用Ansys建立有限元模型并離散結構；

S2：選擇所有活單元進行有限元分析；

S3：進行靜力分析，計算單元的應變能靈敏度，然后進行模態分析，利用Matlab對模態分析結果進行處理，計算單元的頻率靈敏度，將數據返回Ansys中；

S4：對頻率靈敏度和應變能靈敏度進行歸一化無量綱處理，計算多目標優化靈敏度；

S5：根據設置的篩選參數篩選劣等單元并刪除；