[發(fā)明專利]一種懸浮隧道參數(shù)化橫斷面幾何優(yōu)化形狀及參數(shù)尋優(yōu)算法

有效

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• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111709079B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發(fā)明（設計）人: 鄒鵬旭;陳良志;朱峰;楊藝平;李家華;錢原銘
• 申請（專利權）人: 中交第四航務工程勘察設計院有限公司
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/27;G06F30/28;G06N3/00;G06N3/02;G06N3/12;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 廣州市智遠創(chuàng)達專利代理有限公司 44619
• 代理人: 李麗麗

本發(fā)明公開了一種懸浮隧道參數(shù)化橫斷面幾何優(yōu)化形狀及參數(shù)尋優(yōu)算法，步驟包括：1、根據(jù)工程建設需要確定懸浮隧道橫斷面的幾何尺度；2、構建參數(shù)化函數(shù)曲線用以描述滿足尺寸限制要求的組合斷面形狀，確定優(yōu)化參數(shù)及約束條件。3、得出一系列不同參數(shù)組合下懸浮隧道橫斷面的水動力學性能及結構屬性等指標，用以建立尋優(yōu)算法樣本集，確立初始訓練集及測試集；4、通過優(yōu)化算法流程，確定最優(yōu)水動力學性能或結構屬性等的懸浮隧道橫斷面參數(shù)組合及斷面形狀。本發(fā)明通過懸浮隧道橫斷面參數(shù)化幾何形狀并結合智能優(yōu)化算法確定最優(yōu)參數(shù)變量組合、確定最優(yōu)懸浮隧道橫斷面幾何形狀，可提升懸浮隧道水動力性能、降低工程成本等。

技術領域

本發(fā)明涉及水上工程建設技術領域，具體涉及一種懸浮隧道參數(shù)化橫斷面幾何優(yōu)化形狀，及其優(yōu)化設計算法流程。

背景技術

懸浮隧道橫截面的幾何形狀對水動力特性、空間利用、結構行為、以及施工成本等有直接影響。因此，懸浮隧道橫斷面幾何形狀設計成為結構設計及優(yōu)化的主要因素之一，在工程初期階段如可行性分析階段即應確定。綜合國內(nèi)外目前已有研究成果，懸浮隧道橫截面研究主要以常見的幾何形狀為主，諸如圓形、矩形、多邊形、橢圓形、耳形等，對懸浮隧道橫截面幾何形狀進行參數(shù)化設計研究還處于空白。

此外，懸浮隧道所處的水力環(huán)境一般十分復雜，來流方向不確定，且存在剪切流、內(nèi)波波致剪切流、潮波、風暴潮等水力條件影響，這給懸浮隧道橫斷面設計帶來很大的挑戰(zhàn)；懸浮隧道截面尺度大、流場雷諾數(shù)大、存在復雜流態(tài)轉捩與鈍體的流動分離、漩渦脫落引起渦振等非線性問題，無法在傳統(tǒng)形狀優(yōu)化設計中應用勢流理論、面元法和Kutta條件進行水動力指標的快速計算；懸浮隧道參數(shù)化幾何形狀包含眾多參數(shù)條件，可組合為無數(shù)斷面幾何形狀，無法通過數(shù)值模擬及試驗測試選定最優(yōu)斷面，如何確定最優(yōu)參數(shù)組合及懸浮隧道橫斷面形狀也成為一大技術難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種可改善懸浮隧道水動力特性及結構屬性等參數(shù)化橫斷面幾何形狀，并就如何確定最優(yōu)化橫斷面參數(shù)組合提供尋優(yōu)算法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案：一種懸浮隧道參數(shù)化橫斷面幾何優(yōu)化形狀及參數(shù)尋優(yōu)算法,包括如下步驟：

(1)根據(jù)工程建設需要，確定懸浮隧道橫斷面的幾何尺度，如斷面高度H、寬度W或斷面凈空高度H’、凈空寬度W’；

(2)構建參數(shù)化函數(shù)曲線用以描述滿足尺寸限制要求的組合斷面形狀，確定優(yōu)化參數(shù)及約束條件；

(3)通過試驗數(shù)據(jù)、或計算流體力學CFD代碼及勢流理論等數(shù)值計算方法得出一系列不同參數(shù)組合下懸浮隧道橫斷面的水動力學及結構屬性等指標(即目標子函數(shù))，用以建立尋優(yōu)算法樣本集，確立初始訓練集及測試集；

(4)通過優(yōu)化算法流程，確定最優(yōu)水動力學性能或結構屬性等的懸浮隧道橫斷面參數(shù)組合及斷面形狀；

其中，步驟(2)所述的參數(shù)化函數(shù)曲線基于Bézier參數(shù)化(Bézier-PARSEC)曲線，參數(shù)變量包括但不限于：x，y,b,r,β。根據(jù)懸浮隧道橫斷面的幾何尺度及幾何限制，合理確定各參數(shù)變量的區(qū)間范圍。

而步驟(3)所述的水動力學及結構屬性等指標為多目標子函數(shù)，因多學科優(yōu)化問題關注點而異，綜合選取如下多目標子函數(shù)組合形式：

f(x)＝f[C_l(x),C_d(x),C_p(x),C_m(x),P(x),A(x),...],x＝b,x,y,r,β

其中，C_l為斷面升力系數(shù)，C_d為斷面阻力系數(shù)，C_p為斷面壓力系數(shù)，C_m為斷面附加質(zhì)量系數(shù)，P為斷面周長，A為斷面面積。