單層球面網(wǎng)殼的選型優(yōu)化設計.pdf

1、網(wǎng)殼結構是一類有活力的、適應性很強的、方興未艾的空間結構型式，其應用前景非常廣闊。目前，單層網(wǎng)殼結構已經(jīng)被廣泛應用于大跨度建筑結構中。而單層網(wǎng)殼的結構形式多種多樣，傳統(tǒng)的設計方法使設計工作量繁重，同時受時間和費用的限制難以進行多方案比較，這樣往往導致最終的設計方案并非是最優(yōu)設計方案。雖然國內有些結構設計軟件有結構優(yōu)化設計模塊，但大多都采用滿應力優(yōu)化技術，只能有效應用于約束條件較少和簡單的結構。對像單層網(wǎng)殼這樣的結構，其效果并不好。單層網(wǎng)

2、殼結構的每根桿件的有限元力學計算模型為空間梁單元，其承載力不僅取決于桿件的強度,而且還取決于網(wǎng)殼結構的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。在單層網(wǎng)殼結構的設計過程中必須考慮其強度、剛度、穩(wěn)定以及幾何尺寸等約束條件。同時，單層網(wǎng)殼的每根桿件還要符合現(xiàn)有的規(guī)格和型號，即單層網(wǎng)殼結構的優(yōu)化設計屬于離散變量結構優(yōu)化設計問題。 近年來發(fā)展起來的遺傳算法是基于生物進化論中自然遺傳機制的優(yōu)化算法。主要包括再生、交叉和變異等過程。遺傳算法在搜索時使

3、用的是將變量編碼形成的二進制串值，故此算法既可適用于連續(xù)變量也可應用于離散變量，甚至非數(shù)值變量的優(yōu)化設計。它的尋優(yōu)搜索是由目標函數(shù)值引起的，不使用其它輔助信息，也不要求導數(shù)信息，因而對目標函數(shù)、設計變量及可行域無特殊要求，具有廣泛的適用性，可以處理各類優(yōu)化問題，尤其適用于傳統(tǒng)的搜索方法解決不了的復雜和非線性問題。它具有較強的全面優(yōu)化性能，能收斂至全局最優(yōu)點。 本文采用改進的自適應遺傳算法來解決單層球面網(wǎng)殼結構桿件截面優(yōu)化問題。并

4、根據(jù)本文介紹的算法，采用VC++語言編寫了相應的自適應遺傳算法和有限元計算程序，可以實現(xiàn)單層球面網(wǎng)殼結構的自動優(yōu)化設計。 理論和實踐都表明，優(yōu)化設計方法能收到很好的效果。但是由于各方面的原因，這種應用還遠未達到與這門學科當前發(fā)展水平相適應的程度。原因之一就是怕這種設計會過度降低結構的安全度。為此，通過對按照現(xiàn)行相關規(guī)范優(yōu)化設計的單層球面網(wǎng)殼和按照現(xiàn)行相關規(guī)范設計但未經(jīng)優(yōu)化的單層球面網(wǎng)殼用ANSYS軟件進行考慮幾何非線性的屈曲分析

5、，確定其屈曲荷載與設計荷載之比，以比較它們的受力和安全性能，從而驗證優(yōu)化設計的可靠性和各類型網(wǎng)殼的技術經(jīng)濟性能的優(yōu)劣。 本文通過單層球面網(wǎng)殼的優(yōu)化設計和屈曲分析，取得了以下幾方面的研究結論： ①根據(jù)自適應遺傳算法的實現(xiàn)技術和有限元結構分析理論編制的基于自適應遺傳算法的網(wǎng)殼結構優(yōu)化設計程序，和設計的不同跨度和矢跨比的K6-7型和K8-7型網(wǎng)殼優(yōu)化算例的結果表明：采用自適應遺傳算法進行離散變量的網(wǎng)殼結構截面優(yōu)化設計原理簡單，

6、容易收斂，結果可靠，優(yōu)化效果良好；自適應遺傳算法可以以極快的速度達到最優(yōu)解的90％左右，但要尋找真正的最優(yōu)解，對于單層網(wǎng)殼這種超靜定、強約束結構是要花費更長時間，這是由于自適應遺傳算法擅長全局搜索，而局部搜索能力不強。事實上，對于這樣的結構，要找到其真正的最優(yōu)解，其它優(yōu)化算法也是難以做到的。如果能以較快的速度找到一個近似最優(yōu)解，已經(jīng)達到自動優(yōu)化設計的目的。 ②非線性分析結果：按照現(xiàn)行相關規(guī)范優(yōu)化設計的網(wǎng)殼的屈曲荷載比按照現(xiàn)行相關

7、規(guī)范設計但未經(jīng)優(yōu)化的網(wǎng)殼的屈曲荷載有大幅度的降低，即其安全儲備也同時有大幅度的降低；但優(yōu)化設計的網(wǎng)殼的屈曲荷載與設計荷載的比值高于網(wǎng)殼結構技術規(guī)程中5倍值的限制。這證明如果按現(xiàn)行相關規(guī)范進行優(yōu)化設計，是能滿足規(guī)定的安全要求的。 ③相同結構類型、相同跨度的網(wǎng)殼隨著矢跨比不同，其優(yōu)化后的屈曲荷載與設計荷載的比值是不同的。矢跨比越大，其屈曲荷載與設計荷載的比值也越大，這就表明大矢跨比網(wǎng)殼要比小矢跨比網(wǎng)殼具有更高的安全儲備。當網(wǎng)殼的矢跨