[發明專利]一種基于GA-GLM的臍帶纜截面自動分層布局優化算法

在審

• 申請號: 202210884064.7
• 申請日: 2022-07-26
• 公開（公告）號: CN115329481A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 楊志勛;殷旭;閻軍;曹冬輝;田庚;曹鵬;劉佳;胡海濤;史冬巖;樊耀華;王立夫;朱鵬程;毛彥東;蘇琦;步宇峰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/27;G06F111/06;G06F119/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種基于GA?GLM的臍帶纜截面自動分層布局優化算法，屬于海洋臍帶纜結構優化設計領域，本發明建立考慮截面緊湊性、平衡性和摩擦損失的優化設計模型，首先利用遺傳算法在全局解空間范圍內求解布局問題的最優解，確定最優布局中各構件的中心坐標的可行解；然后以GA算法得到的可行解為初值，利用GLM算法進行快速精確求解；在得到截面整體最優布局之后引入分層策略，繼續采用GLM算法進行優化即可得到臍帶纜最優分層截面布局。本發明充分利用了GA全局搜索能力強以及GLM算法收斂速度快的特點，自動進行臍帶纜截面布局設計，可代替人工操作，為臍帶纜截面布局設計提供有益參考。

技術領域

本發明屬于臍帶纜截面優化領域，涉及一種利用遺傳算法(GA)和廣義乘子法(GLM)相結合提高求解速度和精度的優化算法。

背景技術

隨著油氣開發水深和開采規模不斷的擴大，臍帶纜中各種功能構件不斷增多，呈現高度集成的結構特征。截面內核構件的排布形式直接影響著臍帶纜的結構力學性能。如何合理設計截面布局是臍帶纜設計流程中的重要問題。由于構件截面布局的復雜性和優化目標的多樣性，需要引入一種具有全局優化能力的優化算法來解決上述優化問題。遺傳算法以生物遺傳學和自然選擇理論為基礎，從隨機產生的一組初始種群開始迭代搜索。通過編碼、進化、選擇、交叉、變異等一系列操作，生成新一代種群個體，通過不斷迭代更新，逐步收斂到最優解。由于遺傳算法在不需要給定初值的條件下就能夠同時搜索整個解空間，所以更容易求得全局最優解，但因其計算量大，收斂速度較慢不適合于快速求解。相比之下，傳統優化算法通過函數梯度信息作為搜索方向可快速逼近最優解，對于包含約束條件的優化問題具有很強的局部搜索能力。但該方法的計算結果對初值選取具有很強的敏感性，不同的初值往往會得到不同的計算結果，給全局范圍內的精確求解帶來困難。本文提出一種基于遺傳算法和廣義乘子法相互結合的優化算法求解臍帶纜截面布局設計這一問題。

發明內容

本發明的目的是克服已有算法的不足，提出一種基于遺傳算法和廣義乘子法相結合的優化算法，本發明方法是首先利用遺傳算法進行粗略求解，然后用廣義乘子法進行快速求解，可以提高多目標約束優化問題的求解速度和精度，在短時間內得到所需最優解。

本發明的目的是這樣實現的：步驟如下：

(1)簡化臍帶纜截面構件，將臍帶纜截面構件簡化為在同一平面內具有不同性質的圓盤；

(2)考慮實際臍帶纜中各種功能構件的截面直徑相差不大，假定各功能構件截面直徑相同；

(3)提取設計變量，選取臍帶纜平面內任一點為中心建立一個直角坐標系，假設臍帶纜包含m根半徑為R^S的鋼管和n根半徑為R^Q的電纜；基于所設定的坐標系，鋼管和電纜截面的中心位置分別描述為和對于臍帶纜截面布局優化問題可轉化為以構件中心位置坐標為連續設計變量的優化問題；

(4)建立目標函數

優化目標函數f₁為：

f₁＝minR

基于截面構件的軸向拉伸剛度引入虛擬重力指標來描述截面布局的平衡性：

G＝EA

其中：E為彈性模量；A為截面面積；

臍帶纜截面承載能力的平衡對稱性取決于平行力系中心到截面幾何中心的距離Δ，各構件的虛擬重力的合中心與截面中心的偏移距離關系為：

假設臍帶纜的力學性能MB與偏離距離之間的存在關系：

M_B＝ξ_B/Δ，