基于改进萤火虫算法的杆系结构拓扑优化

胡庆杰 结构形态学 杆系结构 拓扑优化 萤火虫算法 桁架结构 框架结构 单层网壳

结构拓扑优化契合结构形态学提出的寻求结构―形‖与―态‖协调统一这一理念,是实现结构的合理,自然,高效的有效途径.因此,本文针对杆系结构拓扑优化进行研究,具有重大意义.以往的杆系结构拓扑优化研究工作往往针对简单的较小规模杆件结构进行,如15杆平面桁架,25杆空间桁架等,对规模较大的杆系结构的拓扑优化研究较少,且结果欠理想.针对上述研究背景,本课题主要研究了以下内容:(1)针对杆系结构拓扑优化问题高度非线性,多峰值等特点,本文引入了具有自动分子群功能,较强搜索能力,擅长解决高维度,高次非线性优化问题的萤火虫算法.在标准萤火虫算法基础上,通过引入随机权重和改进吸引力项,提出了适用于大求解空间优化问题的改进萤火虫算法,并通过测试函数实验验证改进萤火虫算法的性能.此外,对改进萤火虫算法进行了离散化处理,以适用于杆系结构拓扑优化问题.(2)建立了基于改进萤火虫算法的杆系结构拓扑优化方法.构造了基于基结构法的杆系结构拓扑优化模型;针对大规模杆件结构,提出一种拓扑编码方法,以减小变量数目和机构出现几率;通过将被删除杆件的截面特性参数置零和几何组成分析两个必要措施分别有效地解决奇异最优解问题和随机生成的拓扑形式为机构的问题;运用自适应惩罚函数处理违反约束条件的个体,根据个体违反约束条件的程度,自动确定惩罚函数值,轻微违反约束但目标函数更优的个体能够被其他个体发现,提高方法效率.通过上述内容,建立了可用改进萤火虫算法求解的且能同时考虑刚度,强度,稳定等约束的杆系结构拓扑优化方法.并通过两个标准算例验证上述方法的可行性和高效性.(3)通过多个算例验证了前述方法的广泛适用性.运用上述方法对平面桁架,空间桁架,平面框架以及单层网壳等结构进行拓扑优化.通过设置不同的优化目标,获取同一优化问题的多种解,分析比较各优化目标对结构的影响,探讨隐藏在结构中"形","态"联系.同时,为结构设计提供了多种可行方案.

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