一种基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法。因考虑塔式起重机工作时，在起升、运行、回转和变幅等过程中，各个机构需频繁启动、制动并进行复杂的耦合运动，使结构承受强烈的冲击和振动，因此设计时需要考虑塔机的动态性能。本发明专利技术所述方法主要涉及对核电用塔机结构振动特性分析及结构设计变量灵敏度分析，尤其涉及到通过最优拉丁超立方设计OPLHD进行采样并获取设计参数初始样本，采用数值模拟方法计算初始样本点的固有频率，建立代理模型后采用NSGA

【技术实现步骤摘要】
一种基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法


[0001]本专利技术属于塔吊
，涉及塔机结构系统动态优化设计，特别是涉及一种基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法。

技术介绍

[0002]因考虑到核电用塔式起重机(以下简称塔机)在工作时，起升、运行、回转、变幅等过程中各机构需要进行频繁启动、制动以及复杂的耦合运动，使得结构承受强烈的冲击和振动，并且会产生持续时间较长的衰减振动。严重的振动不仅影响塔机的工作效率，而且也会造成主要结构件的疲劳破坏。由于近些年来高强度钢材的普遍使用，使结构的强度以及稳定性能够得到很好的满足，然而结构的静、动刚度问题则更显著，塔机的动态性能在设计时必须加以考虑。目前，塔机的优化设计大多是以最小结构质量作为优化目标，对塔机动态特性方面的研究也是局限于模态分析及动态响应分析，而对于比较复杂的振动系统，结构的设计变量与其动态特性参数之间多是高度非线性关系，对于这类结构的动态优化设计，则主要以基于灵敏度分析的结构动力修改为主，但是对设计变量维数较高的系统，由于变量间相互制约关系，这种动力修改方法无法取得良好结果。对于绝大多数的工程设计问题，需要进行试验或数值模拟来确定采用不同参数时的目标函数和约束函数，例如设计优化、设计空间搜索、灵敏度分析等问题，需要进行数千甚至数万次的模拟任务，直接对原模型进行求解是不可能的，因此需要建立代理模型。代理模型可以把离散的试验设计数据连续化，得到试验设计样本响应值，进而建立一种近似的输入输出关系，在代理模型建立完成后再利用多目标非支配排序遗传算法NSGA
‑
II寻找最优解。与基于CAE的试验设计法相比较，基于代理模型的优化方法能够使实际工程优化问题的优化周期大大缩短，研发成本大幅缩小，而且结果的可信度较高。因此本专利技术提出一种基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法。本专利技术所述基于代理模型的动态优化设计方法，可有效提高塔机的动态性能，且本专利技术优化周期短，优化效果好，研发成本小，且结果可信度高。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法，所述方法具体为：
[0005]步骤一、采用ANSYS软件建立有限元模型，进而进行模态分析以及简谐振动响应分析，以确定对塔机结构动态性能影响最大的固有频率，并将最大固有频率和最小结构质量作为目标函数；
[0006]步骤二、利用有限元模型进行灵敏度分析，确定对优化目标影响大的一部分参数作为设计参数；
[0007]步骤三、确定约束条件；
[0008]步骤四、通过最优拉丁超立方设计OPLHD在设计参数空间内采样并获取设计参数的初始样本，采用FEM分析初始样本点的固有频率及结构最小质量；
[0009]步骤五、基于初始样本的输入和输出关系建立人工神经网络代理模型，然后按照一定比例分配训练集、验证集和测试集，对代理模型进行训练；
[0010]步骤六、以最大固有频率和最小结构质量为目标函数，基于代理模型采用多目标非支配排序遗传算法NSGA
‑
II在设计空间内寻优，得到最优解集后选取其中若干进行FEM验证，评价代理模型精度，若满足，则进行下一步骤，否则返回步骤五；
[0011]步骤七、代理模型精度满足后，则基于代理模型进行寻优，得到最优结果。
[0012]进一步地，所述约束条件包括静强度、静刚度、动位移、杆件刚度、杆件稳定承载力和设计参数上、下限。
[0013]进一步地，所述约束条件静强度具体为：σ
max
≤[σ]，其中，[σ]为材料的许用应力、σ
max
为构件的最大应力。
[0014]进一步地，所述约束条件静刚度具体为：且其中，δ
b
为空载状态下塔身与起重臂连接处节点的水平位移，δ
f
为吊载状态下塔身与起重臂连接处节点的水平位移，H为塔身底部支座距塔身与起重臂连接点的垂直距离。
[0015]进一步地，所述约束条件动位移具体为：其中，δ
d
为塔身顶部产生的最大动位移。
[0016]进一步地，所述约束条件杆件刚度具体为：其中，l
k
为杆件的计算长度、r
k
为杆件截面的惯性半径、[λ]为许用长细比。
[0017]进一步地，所述约束条件杆件稳定承载力具体为：其中，N为杆件的轴向压力，A为杆件的截面面积，为轴心压杆稳定系数，σ
Mx
和σ
My
为截面绕x轴和y轴的弯矩引起的应力。
[0018]进一步地，所述约束条件设计参数上、下限具体为：x
jL
≤x
j
≤x
jU
，其中，x
jL
和x
jU
分别为设计参数x
j
的下限与上限。
[0019]本专利技术提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法的步骤。
[0020]本专利技术提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法的步骤。
[0021]与现有的塔机优化方法相比，本专利技术所述一种基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法先利用ANSYS建模进行模态分析、简谐振动响应分析确定对结构动态性能影响最大的固有频率，进而将最大固有频率和最小结构质量作为目标函数，接着利用灵敏度分析确定对优化目标影响较大的一部分参数作为设计变量，约束函数除常规优化方法中的强度、刚度等外，还考虑了动载荷作用下的动位移响应。除此之外，本专利技术所述一种
基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法中在确定设计变量、约束及优化目标之后建立代理模型进行优化，这种基于代理模型的动态优化设计方法，可有效提高塔机的动态性能，且本专利技术优化周期短，优化效果好，研发成本小，且结果可信度高。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0023]图1是本专利技术所述一种基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法的流程示意图。
[0024]图2是采用ANSYS建立的塔机有限元模型示意图。
[0025]图3是最优拉丁超立方设计相对于拉丁超立方设计在数据采样方面的优势效果图，图中，左侧为拉丁超立方设计，右侧为最优拉丁超立方设计。
[0026]图4是基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于代理模型的核电用塔机结构系统动态优化设计方法，其特征在于：所述方法具体为：步骤一、采用ANSYS软件建立有限元模型，进而进行模态分析以及简谐振动响应分析，以确定对塔机结构动态性能影响最大的固有频率，并将最大固有频率和最小结构质量作为目标函数；步骤二、利用有限元模型进行灵敏度分析，确定对优化目标影响大的一部分参数作为设计参数；步骤三、确定约束条件；步骤四、通过最优拉丁超立方设计OPLHD在设计参数空间内采样并获取设计参数的初始样本，采用FEM分析初始样本点的固有频率及结构最小质量；步骤五、基于初始样本的输入和输出关系建立人工神经网络代理模型，然后按照一定比例分配训练集、验证集和测试集，对代理模型进行训练；步骤六、以最大固有频率和最小结构质量为目标函数，基于代理模型采用多目标非支配排序遗传算法NSGA
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II在设计空间内寻优，得到最优解集后选取其中若干进行FEM验证，评价代理模型精度，若满足，则进行下一步骤，否则返回步骤五；步骤七、代理模型精度满足后，则基于代理模型进行寻优，得到最优结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述约束条件包括静强度、静刚度、动位移、杆件刚度、杆件稳定承载力和设计参数上、下限。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述约束条件静强度具体为：σ
max
≤[σ]，其中，[σ]为材料的许用应力、σ
max
为构件的最大应力。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述约束条件静刚度具体为：且其中，δ
b
为空载状态下塔身与起重臂连接处节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑朝荣，魏让丽，武岳，曹正峰，刘昭，
申请(专利权)人：中建机械有限公司，
类型：发明
国别省市：