应用模式搜索法在地震作用下线性结构最优设计方法技术

本申请涉及一种应用模式搜索法在地震作用下线性结构最优设计方法，包括以下步骤：确定结构设计的设计变量、优化目标以及约束条件，并定义优化目标为设计变量的函数，定义约束条件为设计变量的函数，以得到通用结构优化模型的通用方程。应用刚度识别法对结构设计进行结构降阶得到降阶结构的重量矩阵和刚度矩阵。应用多目标优化设计和应用模式搜索法对降阶结构进行优化，得到降阶结构的优化设计方程。应用帕累托最优边界求解降阶结构的优化设计方程，求得优化设计方程的最优解。相比传统结构设计的结果，本方法的最优解达到了帕累托最优，解决了传统结构设计无法得到最优设计的问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
应用模式搜索法在地震作用下线性结构最优设计方法


[0001]本申请涉及结构设计的
，特别是涉及一种应用模式搜索法在地震作用下线性结构最优设计方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，工程结构复杂度的增加以及设计要求的提高，传统的结构设计方法已不能满足需要，“结构优化”的概念开始得到关注，并逐步应用于结构设计中。结构优化设计的核心为在各类荷载的作用下，以最为简洁有效的方式完成结构设计，使得结构体系的力学性能最优，同时节省建筑材料，降低结构造价。结构优化的过程大致可归纳为假定、分析、搜索、最优设计四个阶段。其中，搜索阶段是修改并优化的过程。在搜索阶段，首先判断设计方案是否满足给定的约束条件且达到最优，如若不是，则按既定的规则进行修改，以逐步达到预定的最优指标。
[0003]自从结构优化的概念被提出以来，随着优化理论的逐渐完备，已逐渐应用于结构设计中，取代传统的试错法结构设计。传统的优化方法需要根据优化目标的梯度信息确定优化方向，但在结构设计中，优化目标通常为复杂的结构响应，其导数难以进行简单的求解。因此，和传统的基于梯度的优化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用模式搜索法在地震作用下线性结构最优设计方法，其特征在于，包括以下步骤：确定结构设计的设计变量、优化目标以及约束条件，并定义优化目标为设计变量的函数，定义约束条件为设计变量的函数，以得到通用结构优化模型的通用方程；应用刚度识别法对结构设计进行结构降阶得到降阶结构的重量矩阵和刚度矩阵；应用多目标优化设计和应用模式搜索法对所述降阶结构进行优化，得到降阶结构的优化设计方程；应用帕累托最优边界求解所述降阶结构的优化设计方程，求得优化设计方程的最优解。2.根据权利要求1所述的应用模式搜索法在地震作用下线性结构最优设计方法，其特征在于，所述通用结构优化模型的通用方程为：设计变量：θ＝{θ1θ2...θ
n
}
T
∈R
n
目标函数：min(J(θ))优化约束：式中，θ为设计变量，即设计域中n个设计元素的合集，R
n
为优化搜索发生的n维区间，J(θ)为优化目标，其中，所述优化目标为结构性能最优、材料最省、造价最低、钢材用量最少或最大的空间利用率，设计变量中的每个元素应符合限值约束(θ
j,min
≤θ
j
≤θ
j,max
)，G(θ)为m个不等约束，H(θ)为p个等式约束。3.根据权利要求1所述的应用模式搜索法在地震作用下线性结构最优设计方法，其特征在于，所述应用刚度识别法对结构设计进行结构降阶得到降阶结构的重量矩阵和刚度矩阵，包括：先将所述结构设计简化为简化模型，再应用刚度识别法对所述简化模型进行结构降阶；其中，中低层结构的简化模型为层剪模型，高层结构和超高层结构的简化模型为欧拉梁模型或铁木辛柯梁模型。4.根据权利要求1所述的应用模式搜索法在地震作用下线性结构最优设计方法，其特征在于，所述多目标优化设计包括以下步骤：定义结构状态空间方程；加入线弹性结构的运动方程，得到线性结构的状态空间方程；加入随机载荷，得到随机荷载状态空间方程；计算结构响应标准差。5.根据权利要求4所述的应用模式搜索法在地震作用下线性结构最优设计方法，其特征在于，所述定义结构状态空间方程，包括：应用状态空间模型，将l个输入、2n个输出信号以及状态变量xs均用向量表示，则线性定常有限维系统的微分方程可表示为：
y
s
＝C
s
x
s
+D
s
p(t)，式中，A
s
为状态空间系统矩阵，维度为2n
×
2n，B
s
为输入矩阵，维度为2n
×
l，y
s
为结构输出向量，C
s
和D
s
为结构状态空间响应矩阵，p(t)为系统的输入向量。6.根据权利要求5所述的应用模式搜索法在地震作用下线性结构最优设计方法，其特征在于，所述线弹性结构的运动方程具有n个自由度，表达式为：式中，M是结构的质量矩阵，C是结构的阻尼矩阵，K是结构的刚度矩阵，G
nl
为适配输入向量维度l和结构自由度数量n的矩阵，u、分别为结构的位移、速度和加速度响应向量，其中，u＝{u
1 u2...u
n
}}式中，u
j
、分别代表结构第j个自由度的位移、速度和加速度响应；将结构的状态向量定义为：则结构的状态空间系统矩阵A
s
和输入矩阵B
s
为：式中，0
n
为n维零矩阵，I
n
为n维单位矩阵，即在地震作用下，C
s
和D
s
为：式中，I
inter,n
为状态空间响应矩阵计算层间位移的算子，即7.根据权利要求5所述的应用模式搜索法在地震作用下线性结构最优设计方法，其特征在于，所述随机载荷表示为过滤白噪声，所述加入随机载荷，得到随机荷载状态空间方程，包括：将平稳高斯白噪声通过一个过滤器，从而得到激励向量，为将激励向量作用于结构并求解结构响应，须将描述激励特性的过滤器以状态空间方程描述如下：
p(t)＝C
p
x
p
，式中，x
p
为激励过滤器的状态向量，A
p
为激励过滤器的状态空间方程的系统矩阵，B
p
为激励过滤器状态空间方程系统输入矩阵，C
p
为激励过滤器状态空间方程的响应矩阵，A
p
、B
p
和C
p
根据输入结构优化的荷载进行选取，用以表达激励的特征，w(t)为输入激励过滤器的平稳高斯白噪声，其期望值和自相关函数为：E[w(t)]＝0，E[w(t)w
T
(t+...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐佳琦，许清风，冷予冰，张永群，
申请(专利权)人：江苏新禾建设工程有限公司，
类型：发明
国别省市：