一种基于蚁群算法的输电钢管塔结构优化设计方法技术

一种基于蚁群算法的输电钢管塔结构优化设计方法。首先建立输电钢管塔结构优化数学模型，该数学模型以输电钢管塔结构的材料质量最轻为结构优化设计的目标函数；结合输电钢管塔的实际工作状态，确定结构优化设计的设计变量以及约束条件；采用蚁群算法来寻找蚁群位置和信息素浓度的全局最优解；当满足结束条件后输出全局最优解，将蚁群位置和信息素浓度的全局最优解转化为的输电钢管塔结构设计方案的相应结构参数，最后输出钢管杆的截面优选方案。本发明专利技术通过有限元法力学分析，满足《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T5154－2012)的使用要求，优化过程中具有不需要灵敏度、计算效率高和全局收敛性能好等优点。

An Ant Colony Optimization Method for Structural Design of Transmission Steel Pipe Tower

An optimization design method of transmission steel pipe tower structure based on ant colony algorithm is presented. Firstly, a mathematical model for structural optimization of transmission steel tube towers is established. The objective function of the model is to minimize the material quality of the structure. Combining with the actual working state of the transmission steel tube towers, the design variables and constraints of structural optimization are determined. Ant colony algorithm is used to find the ant colony location. The global optimal solution of pheromone concentration and ant colony location and pheromone concentration are transformed into the corresponding structural parameters of the structural design scheme of transmission steel pipe towers, and the optimal cross-section of steel pipe poles is finally output. Through mechanical analysis of finite element method, the invention meets the application requirements of Technical Regulations for Structural Design of Overhead Transmission Line Towers (DL/T5154-2012). In the optimization process, it has the advantages of no sensitivity, high calculation efficiency and good global convergence.

【技术实现步骤摘要】
一种基于蚁群算法的输电钢管塔结构优化设计方法
本专利技术涉及输电钢管塔结构优化
，具体涉及一种基于蚁群算法的钢管杆截面及输电钢管塔材料成本优化方法。
技术介绍
随着我国社会经济快速发展，国家推进城镇化建设步伐加快，城镇规划区以及城郊地区的线路走廊日益紧张，线路多经过城市绿化带，人行道等路径拥挤地段，与角钢塔相比,输电线路钢管塔具有风压小、刚度大、结构简洁、传力清晰,能够充分发挥材料的承载性能等优势,适合在荷载较大的铁塔中采用，在大荷载杆塔中推广应用钢管塔可有效降低塔重、基础重量及造价,减小杆塔根开,压缩线路走廊宽度,减少拆迁、植被破坏和林木砍伐,有利于节约资源和环境保护,具有显著的综合经济效益和社会效益。但是钢管杆的钢材用量比较大，其材料费用在整个线路工程中所占的比例较高，怎样在保证钢管塔的承载性能的前提下，优化钢管杆的截面形式，即在保证安全性的前提下寻找最大的经济性是个诚需解决的问题。现有输电塔结构优化设计方法还存在如下两种缺陷：1)现有的输电塔结构优化设计方法对于多工况、多荷载下输电塔的优化设计结果收敛速度慢，优化速度慢，优化效率低。2)现有的输电塔结构优化设计方法，优化步骤繁琐，对于塔型较为固定的输电塔，如钢管塔，缺乏操作简单、优化方式简洁又可在一定程度上满足工程实际要求的优化设计方法。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的主要目的在于提供一种基于蚁群算法的输电钢管塔结构优化设计方法。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于蚁群算法的输电钢管塔结构优化设计方法，步骤如下：1)首先建立输电钢管塔结构优化数学模型，该蚁群算法数学模型以输电钢管塔结构的材料质量最轻为目标函数，以输电钢管杆的强度和刚度为约束条件，以钢管杆的截面尺寸为设计变量；2)将用于确定输电钢管塔设计方案的对应参数组负载于蚁群上，使蚁群的位置与信息素浓度由该参数组来表示，蚁群的位置与信息素浓度对应的不同参数组可以确定不同的钢管杆截面尺寸设计方案，每个位置和信息素浓度对应一种输电塔设计方案；3)采用蚁群算法进行优化分析，通过对蚁群位置和信息素浓度的更新，来达到在解空间中搜寻全局最优解的目的；4)当搜寻结束后输出全局最优解，该最优解由一组参数表示，将该组参数中的数据转化为确定输电塔设计方案的相应结构参数，该结构参数确定的输电塔设计方案即为需要的的输电钢管塔结构材料质量最轻的方案，最后输出钢管杆的截面尺寸优化设计方案。进一步的，第3)步采用蚁群算法来搜寻蚁群的全局最优解，具体优化公式为：s.t.gj(Ai)≤0j＝1,2,L,NG其中，W为结构的总质量；ρi和Li分别为杆件的密度和长度；Ai为杆件截面设计变量；gj为约束函数；S为截面变量离散域；M为杆件数；NG为约束函数数量；NS为离散截面型号数量。与现有的优化设计方法比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术通过有限元法力学分析，满足《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T5154－2012)的使用要求，具有概念简单，流程清晰、需要调整的参数少、不需要灵敏度、计算效率高和全局收敛性能好的优势。2、本专利技术操作简单，收敛速度快，只需简单修改钢管杆截面尺寸及与待优化输电塔结构即可对其它此类问题进行优化，适合于一线技术人员对钢管塔的截面优化设计。3、本专利技术适合含有多个设计变量、多个复杂工况下的输电钢管塔结构的优化设计。【附图说明】图1为本专利技术SSFG2双杆钢管塔结构示意图。【具体实施方式】为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。一种基于蚁群算法的输电钢管塔结构优化设计方法，步骤如下：1)首先建立输电钢管塔结构优化数学模型，该蚁群算法数学模型以输电钢管塔结构的材料质量最轻为目标函数，以输电钢管杆的强度和刚度为约束条件，以钢管杆的截面尺寸为设计变量；2)将用于确定输电钢管塔设计方案的对应参数组负载于蚁群上，使蚁群的位置与信息素浓度由该参数组来表示，蚁群的位置与信息素浓度对应的不同参数组可以确定不同的钢管杆截面尺寸设计方案，每个位置和信息素浓度对应一种输电塔设计方案；3)采用蚁群算法进行优化分析，通过对蚁群位置和信息素浓度的更新，来达到在解空间中搜寻全局最优解的目的，具体优化公式为：s.t.gj(Ai)≤0j＝1,2,L,NG其中，W为结构的总质量；ρi和Li分别为杆件的密度和长度；Ai为杆件截面设计变量；gj为约束函数；S为截面变量离散域；M为杆件数；NG为约束函数数量；NS为离散截面型号数量，由于所有杆件都采用钢材，所以选择结构重量作为目标函数，而约束条件为所用杆件材料的强度和刚度。第3)步采用蚁群算法来搜寻蚁群的全局最优解，涉及启发式函数和信息素调整两个概念，涉及如下概念：1)启发式函数:表示在t时刻i节点至j节点的期望值，反映了环境中的信息素浓度对路径选择概率的影响，是蚂蚁群体协作紧密程度的一个表征；2)信息素调整τij(t+n)＝(1-ρ)·τij(t)+Δτij(t)其中ρ为挥发系数，表现环境中信息素衰减的速度，可认为选取(0,1)中的任何值；Δτij(t)为i-j路径信息素增量，为蚂蚁k在i-j路径上的信息素增量。第3)步采用蚁群算法来搜寻蚁群的全局最优解，所采用约束条件为强度约束条件和挠度约束条件。4)当搜寻结束后输出全局最优解，该最优解由一组参数表示，将该组参数中的数据转化为确定输电塔设计方案的相应结构参数，该结构参数确定的输电塔设计方案即为需要的的输电钢管塔结构材料质量最轻的方案，最后输出钢管杆的截面尺寸优化设计方案。如图1所示为某一110kV混压输电双杆钢管杆SSFG2，主杆截面为十六边形，分为7段，稍径为850mm，根径为1900mm，两主杆之间的中心距为3.2m，总高度为62.5m，呼高27m，主体结构采用Q420钢，局部采用Q345钢，钢管杆总质量为88663kg，下面采用本专利技术提供方法进行截面优化设计，具体过程如下：1.采用有限元法ANSYS软件建立钢管塔有限元分析模型：双杆钢管杆由两根主杆(每根主杆分为7段)，16根横担以及8根连接杆组成，主杆与主杆、主杆与横担、主杆与连接杆之间的连接均采用法兰盘连接，故将此处连接视为刚接，考虑到此类输电塔的结构形式简单，采用梁单元模拟过于简化，因此钢管塔的各构件均采用壳单元模拟，忽略主杆与连接杆、横担之间的法兰盘连接。表1SSFG2塔结构优化的设计变量荷载工况：在对铁塔进行有限元法力学分析过程中，高压输电线铁塔所承受的荷载主要可分为两部分：第一部分是铁塔自身产生的载荷，比如自重、风载、雪载等；第二部分是导线对铁塔的作用，在本次计算中导线对铁塔的作用将作为节点集中载荷直接施加在模型节点上。表2SSFG2塔结构荷载工况2.运用MATLAB设计蚁群算法的参数，初始化蚁群位置和信息素浓度，给出设计变量(钢管壁厚尺寸)上下界。3.通过MATLAB软件与ANSYS软件的相互调用，计算各个工况下各个杆件的最大Mises应力。对于双杆钢管杆SSFG2塔蚁群算法的种群为50，代数为200，即双杆钢管杆SSFG2塔的有限元分析次数为10000次，每次结构分析和启动ANSYS的总时间大约5秒，共计计算时间14个小时，表3-表5中分别给出了双杆钢管杆SSFG2初本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于蚁群算法的输电钢管塔结构优化设计方法，其特征在于，步骤如下：1)首先建立输电钢管塔结构优化数学模型，该蚁群算法数学模型以输电钢管塔结构的材料质量最轻为目标函数，以输电钢管杆的强度和刚度为约束条件，以钢管杆的截面尺寸为设计变量；2)将用于确定输电钢管塔设计方案的对应参数组负载于蚁群上，使蚁群的位置与信息素浓度由该参数组来表示，蚁群的位置与信息素浓度对应的不同参数组可以确定不同的钢管杆截面尺寸设计方案，每个位置和信息素浓度对应一种输电塔设计方案；3)采用蚁群算法进行优化分析，通过对蚁群位置和信息素浓度的更新，来达到在解空间中搜寻全局最优解的目的；4)当搜寻结束后输出全局最优解，该最优解由一组参数表示，将该组参数中的数据转化为确定输电塔设计方案的相应结构参数，该结构参数确定的输电塔设计方案即为需要的的输电钢管塔结构材料质量最轻的方案，最后输出钢管杆的截面尺寸优化设计方案。

【技术特征摘要】
1.一种基于蚁群算法的输电钢管塔结构优化设计方法，其特征在于，步骤如下：1)首先建立输电钢管塔结构优化数学模型，该蚁群算法数学模型以输电钢管塔结构的材料质量最轻为目标函数，以输电钢管杆的强度和刚度为约束条件，以钢管杆的截面尺寸为设计变量；2)将用于确定输电钢管塔设计方案的对应参数组负载于蚁群上，使蚁群的位置与信息素浓度由该参数组来表示，蚁群的位置与信息素浓度对应的不同参数组可以确定不同的钢管杆截面尺寸设计方案，每个位置和信息素浓度对应一种输电塔设计方案；3)采用蚁群算法进行优化分析，通过对蚁群位置和信息素浓度的更新，来达到在解空间中搜寻全局最优解的目的；4)当搜寻结束后输出全局最优解，该最优解由一组参数表示，将该组参数中的数据转化为确定输电塔设计方案的相应结构参数，该结构参数确定的输电塔设计方案即为需要的的输电钢管塔结构材料质量最轻的方案，最后输出钢管杆的截面尺寸优化设计方案。2.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖俊俊，刘登金，徐连杰，刘瑞，崔保艳，肖颖涛，张远，王梦博，尹雪超，夏威，胡辉，杨进，张浩，罗松，沈六六，
申请(专利权)人：安徽华电工程咨询设计有限公司，国网安徽省电力有限公司亳州供电公司，国网安徽省电力有限公司阜阳供电公司，合肥市百帮人力资源有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34