一种优化后的玻璃纤维增强塑料夹砂管涵结构及长期变形预测的方法技术

本发明专利技术提出一种优化后的玻璃纤维增强塑料夹砂管涵结构及长期变形预测的方法，涉及土木工程材料领域。本发明专利技术结合玻璃纤维增强塑料夹砂管涵的环刚度及成本定义管涵结构的目标函数及优化约束条件；采用扰动改进后的自适应粒子群优化算法结合ANSYS/APDL与MATLAB平台实现对玻璃纤维增强塑料夹砂管涵铺层结构的优化，使得玻璃纤维增强塑料夹砂管涵的结构更加合理；根据对模型修正的方法对灰色数学GM(1,1)模型进行数据等时距改进处理；采用改进后的灰色数学GM(1,1)模型对玻璃纤维增强塑料夹砂管涵变形进行长期预测，使得预测系统计算得出的数据精度更加满足工程需求。得出的数据精度更加满足工程需求。得出的数据精度更加满足工程需求。

【技术实现步骤摘要】
一种优化后的玻璃纤维增强塑料夹砂管涵结构及长期变形预测的方法


[0001]本专利技术属于本专利技术涉及土木工程材料领域，特别是涉及一种优化后的玻璃纤维增强塑料夹砂管涵结构及长期变形预测的方法。

技术介绍

[0002]影响玻璃纤维增强塑料夹砂管涵使用性能的因素不仅包括管道的各项力学性能，还包括管道的厚度以及整体的质量。玻璃纤维增强塑料夹砂管涵壁材料的可设计性具有较大的自由度，结构层中纤维层与夹砂层的分布、比率等有不同设计方案，由此可得到不同物理力学性能的管壁材料。玻璃纤维增强塑料夹砂管涵应用于埋地管涵的优势远远大于传统的混凝土管涵，但因其造价较高，许多工程不予采用，为了降低玻璃纤维增强塑料夹砂管涵的制作成本，需对管铺层结构进行优化。
[0003]考虑到埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管涵与土长期复杂的非线性相互作用，其变形必然是非线性发展的。变形的发生、发展受到地基形式、周围的环境、土的特性以及管自身的力学特性等诸多因素的影响。因而，管涵的变形是一个复杂的系统，其本身的各种参数是随机的、模糊的，表现出了复杂的混沌特性。系统的不确定性决定了其是一个灰色系统，因此其变形预测、预报可以由灰色理论与方法来解决。应用改进后的灰色数学GM(1,1)模型对玻璃纤维增强塑料夹砂管涵长期变形预测能够解决贫信息、样本数量少以及非线性等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是：以玻璃纤维增强塑料夹砂管涵环刚度为参考指标，对玻璃纤维增强塑料夹砂管涵进行优化设计，旨在降低管涵成本，并且能够在玻璃纤维增强塑料夹砂管涵长期变形贫信息、样本数量少以及数据非线性的情况下对其长期变形进行精准预测。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于优化后的玻璃纤维增强塑料夹砂管涵预测长期变形的方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0006]步骤1)通过数值模拟，得出玻璃纤维增强塑料夹砂管涵最优铺层结构；
[0007]步骤2)结合管涵的环刚度及成本定义玻璃纤维增强塑料夹砂管涵结构的目标函数：
[0008][0009]步骤3)设定玻璃纤维增强塑料夹砂管涵优化的约束条件：
[0010][0011]步骤4)运用扰动改进的自适应粒子群优化算法对玻璃纤维增强塑料夹砂管涵结构的目标函数进行计算分析。
[0012]扰动改进的自适应粒子群优化算法依据下式：
[0013][0014]l＝
‑
d1(x
‑
d2)是由参数d1和参数d2控制的线性递减函数，变量r3是从正态分布[0,1] 中提取的随机正数。x＝tΔx、d1和d2这三个参数都是可以动态设置的小的常数参数。t是第 tth次已经被执行的迭代索引，Δx是根据目标函数可以调整其长度的间隔。
[0015]其中动态演化方程的数学模型为：
[0016][0017]其中，A＝lr3。
[0018][0019]ω，p为实常数。
[0020]设y(t)＝p
‑
x(t)。
[0021][0022][0023]步骤5)结合ANSYS/APDL与MATLAB平台实现对玻璃纤维增强塑料夹砂管涵铺层结构进行优化，具体步骤如下：
[0024]Step1：MATLAB中随机初始化粒子群粒子，获取玻璃钢夹砂管各个铺层的厚度等结构初始数据；
[0025]Step2：MATLAB调用ANSYS/APDL子程序，进行玻璃纤维增强塑料夹砂管涵的环刚度数值模拟求解，求出作用反力；
[0026]Step3：计算种群中每个粒子的适应度值，适应度值和个体极值比较，如果适应度值大于个体极值则用适应度值替换个体极值；
[0027]Step4：对于每个粒子，用个体适应度值和全局极值比较，如果个体适应度值大于
全局极值则用适应度值替换全局极值；
[0028]Step5：根据动态演化方程更新粒子的速度和位置；
[0029]Step6：是否满足终止条件(误差足够小或达到最大迭代次数)，满足，输出结果退出，否则返回Step2。
[0030]结合优化后的玻璃纤维增强塑料夹砂管涵变形特性，本专利技术通过改进灰色数学 GM(1,1)模型对管涵变形进行预测其步骤如下：
[0031]步骤6)确定玻璃纤维增强塑料夹砂管涵变形监测数据生成变形监测数据向量x
(0)
。
[0032]设初始变形监测序列x
(0)
＝(x
(0)
(1),x
(0)
(2)...x
(0)
(n))，n为变形监测序列长度。
[0033]步骤7)对初始变形监测序列作一次累加生成新的变形监测序列x
(1)
：
[0034]x
(1)
＝{x
(1)
(1),x
(1)
(2)...x
(1)
(n)}其中，
[0035]步骤8)对新的变形生成数据向量x
(1)
建模，得出一阶灰色微分方程动态模型：
[0036]其中a和u是辨识参数。
[0037]步骤9)构造辨识算式，并对构造辨识算式进行等时距处理。
[0038]进一步的构造辨识算式：
[0039][0040]Y
N
＝[x
(0)
(2) x
(0)
(3) x
(0)
(4)
ꢀ…ꢀ
x
(0)
(n)]T
[0041]对模型进行等时距处理求得等时距的辨识算式：
[0042][0043]其中，j＝1,2,
…
,n
‑
1。
[0044]令B
*
＝T
·
B。
[0045][0046]步骤10)最小二乘法确定A参数向量，求解得到时间响应函数。
[0047]设进而得到修正后的系数a和u和时间响应函数。
[0048]步骤11)将求解得到时间响应函数离散化得到玻璃纤维增强塑料夹砂管涵长期变形预测公式。
[0049]设并将其离散化得到玻璃纤维增强塑料夹砂管涵长期变形预测模型。
[0050]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0051]通过增加扰动指数来对粒子群(PSO)算法进行改进，提高了粒子跳出局部最小解的性能，并帮助粒子避免陷入局部最优的可能性。基于扰动改进的自适应粒子群优化算法对玻璃钢夹砂管铺层结构优化应用效果明显，能以更快速度收敛于最优解，而且算法调节参数较少，简单易懂。使用MATLAB调用ANSYS/APDL使优化后的玻璃纤维增强塑料夹砂管涵铺层数减少，铺层顺序更加合理。各铺层之间连接更紧密、受力更协调，从而能使各铺层材料力学性能更好的发挥出来，降低了玻璃纤维增强塑料夹砂管涵的制作成本。
[0052]通过利用改进后的灰色数学GM(1,1)模型理论对玻璃纤维增强塑料夹砂管涵长期变形预测，这种计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种优化后的玻璃纤维增强塑料夹砂管涵结构及长期变形预测的方法，特征在于，包括如下步骤：步骤1)通过数值模拟，得出玻璃纤维增强塑料夹砂管涵最优铺层结构；步骤2)结合玻璃纤维增强塑料夹砂管涵的环刚度及成本定义管涵结构的目标函数；步骤3)设定管涵优化的约束条件；步骤4)运用扰动改进的自适应粒子群优化算法对玻璃纤维增强塑料夹砂管涵结构的目标函数进行计算分析；步骤5)结合ANSYS/APDL与MATLAB平台实现对玻璃纤维增强塑料夹砂管涵的优化；步骤6)确定玻璃纤维增强塑料夹砂管涵变形监测数据生成变形监测数据向量x
(0)
；步骤7)对初始变形监测序列作一次累加生成新的变形生成数据向量x
(1)
；步骤8)对新的变形生成数据向量x
(1)
建模，创建一阶灰色微分方程动态模型；步骤9)构造辨识算式，并对构造辨识算式进行等时距处理；步骤10)最小二乘法确定A参数向量，求解得到时间响应函数；步骤11)将求解得到时间响应函数离散化得到玻璃纤维增强塑料夹砂管涵长期变形预测公式。2.根据权利要求1所述的一种优化后的玻璃纤维增强塑料夹砂管涵结构及长期变形预测的方法，其特征在于，所述步骤1)通过数值模拟，得出玻璃纤维增强塑料夹砂管涵最优铺层结构，方法如下：玻璃纤维增强塑料夹砂管涵的铺层优化包括铺层顺序和铺层角度两方面。在分析铺层角度(纤维缠绕角度)对环刚度影响之前，首先优化铺层顺序，依据数值模拟结果选择铺层顺序为：[0/+a/90/
‑
a]
S
。其次，对缠绕角度分别取常用的30
...

【专利技术属性】
技术研发人员：石华旺，谯锋，李彦苍，宋维举，冯胜雷，
申请(专利权)人：河北工程大学，
类型：发明
国别省市：