基于小生境遗传算法的环形张拉整体结构拓扑优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于小生境遗传算法的环形张拉整体结构拓扑优化方法。该方法根据确定跨度、等分数以及每段节点数的环形张拉整体结构模型，以拓扑关系为控制变量，以环形张拉整体结构总质量达到最小为控制目标，并以预应力整体可行、成型态杆件不交叉、荷载态应力控制和位移限值为约束条件，结合小生境技术，搜索出拓扑关系的最优解。本发明专利技术可对任意跨度、任意等分数以及每段任意节点数的环形张拉整体结构进行拓扑优化，具有通用性强、所得结果用钢量低等优点。

Niche genetic algorithm based topology optimization method for annular tensegrity structure

The invention discloses a method for topological optimization of annular tensegrity structure based on niche genetic algorithm. According to the annular tensegrity structure model with definite span, equal fraction and number of nodes in each section, taking the topological relationship as the control variable, the total mass of the annular tensegrity structure as the control objective, and the constraints of overall feasibility of prestressing, non-intersection of formed members, load stress control and displacement limit, combined with niche technology, the method searches out the topological gateway. The optimal solution of the system. The invention can optimize the topology of the ring tensioned integral structure with arbitrary span, arbitrary equal fraction and arbitrary number of nodes in each section, and has the advantages of strong universality and low steel consumption of the obtained results.

【技术实现步骤摘要】
基于小生境遗传算法的环形张拉整体结构拓扑优化方法
本专利技术属于结构拓扑优化领域，涉及一种应用于环形张拉整体结构的拓扑优化方法。
技术介绍
现有的索穹顶结构支承于钢筋混凝土圈梁或环形钢桁架，不能够自平衡，所以从严格意义上说不是真正的张拉整体结构。如能对现有索穹顶进行改进，采用环形张拉整体结构作为索穹顶的环梁，张拉整体环和索穹顶结构相互作用形成一个共同工作的整体，就能生成一种真正“张拉整体式的”、完全自平衡的索穹顶，不仅避免了使用笨重的混凝土或钢结构环梁，同时也为索穹顶结构在地面上的制作提供了可能，最终减少施工周期和成本。因此研究环形张拉整体结构对改善索穹顶结构有较好的理论意义和工程应用价值。关于张拉整体结构的研究，目前国内外学者主要对柱形、球形灯张拉整体结构进行了广泛研究，对另一种基本的几何拓扑形态——环形张拉整体结构却较少研究，对环形张拉整体结构的拓扑优化研究则更少。遗传算法是模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局搜索和优化方法，它借鉴了达尔文的进化论和孟德尔的遗传学说。其本质是一种高效、并行、全局搜索的方法，它能在搜索过程中自动获取和积累有关搜索空间的知识，并自适应地控制搜索过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于小生境遗传算法的环形张拉整体结构拓扑优化方法，其特征在于该方法主要包含以下步骤：1).确定环形张拉整体结构拓扑优化目标，控制变量和约束条件所述优化目标为确定跨度与等分数的环形张拉整体结构质量最小，记环形张拉整体结构总质量M＝∑ρlA，其中ρ为材料密度，l为杆件长度，A为杆件横截面积；所述环形张拉整体结构拓扑优化的控制变量为拓扑关系，采用0‑1编码表示，编码为0表示相应杆件不存在，编码为1表示相应杆件存在；所述约束条件包括每一节点的连接杆件数N≥nmin，预应力整体可行FNmax≤fmax、自平衡成型态杆件不交叉碰撞S＞si,j,min、应力约束σg≤σmax，

【技术特征摘要】
1.一种基于小生境遗传算法的环形张拉整体结构拓扑优化方法，其特征在于该方法主要包含以下步骤：1).确定环形张拉整体结构拓扑优化目标，控制变量和约束条件所述优化目标为确定跨度与等分数的环形张拉整体结构质量最小，记环形张拉整体结构总质量M＝∑ρlA，其中ρ为材料密度，l为杆件长度，A为杆件横截面积；所述环形张拉整体结构拓扑优化的控制变量为拓扑关系，采用0-1编码表示，编码为0表示相应杆件不存在，编码为1表示相应杆件存在；所述约束条件包括每一节点的连接杆件数N≥nmin，预应力整体可行FNmax≤fmax、自平衡成型态杆件不交叉碰撞S＞si,j,min、应力约束σg≤σmax，以及位移限值U≤umax；其中，N为任一节点实际连接的杆件数，nmin为每一节点要求最小的连接杆件数；FNmax为自平衡成型态任一节点不平衡力，fmax为节点不平衡力最大限值；S为自平衡成型态任两根杆件的实际中心距，si,j,min为自平衡成型态任两根杆件i,j的最小中心距限值；σg为杆件的实际应力，σmax为杆件的许用应力，当受拉时σmax为拉伸许用应力受压时为压缩许用应力为保证索不松弛的最小内力，此时的σg为当杆件为拉索时的内力；U为受径向力作用节点位移，umax为最大位移限值；2).根据步骤1)所述构造环形张拉整体结构拓扑优化模型求M需满足nmin≥4，即要求每一节点至少连接4根杆件；需满足fmax≤10-3N，即当节点不平衡力不超过此限值时，此节点处于平衡状态；取umax＝d/500，其中d为环形张拉整体结构内直径，即跨度；σmax为材料的屈服强度；si,j,min根据下式确定：si,j,min＝ri+rj(1)其中：ri为杆件i的横截面半径，rj为杆件j的横截面半径。使M→mins.t.；N≥nmin(2)FNmax≤fmax(3)S＞si,j,min(4)σg≤σmax(5)U≤umax(7)3).根据步骤2)中公式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)所建的优化模型，采用小生境遗传算法，以环形张拉整体结构不同拓扑关系表示的基因型作为初始种群个体，先判断个体是否满足约束条件公式(2)，不满足则重新生成拓扑关系直至满足为止，即保证初始种群所有个体均满足约束条件公式(2)，再根据基于刚度矩阵的张拉整体找形方法求得初始种群各个个体的自...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁行飞，谢胜达，马烁，吴桐，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33