水工结构优化设计汇报稿学习教案.pptx

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1、会计学1水工结构优化设计水工结构优化设计(shj)汇报稿汇报稿第一页，共23页。1参考文献参考文献11蔡蔡蔡蔡 新，李洪煊，武颖利，朱新，李洪煊，武颖利，朱新，李洪煊，武颖利，朱新，李洪煊，武颖利，朱 杰工程结构优化设计研究进展杰工程结构优化设计研究进展杰工程结构优化设计研究进展杰工程结构优化设计研究进展JJ河海大学学报，河海大学学报，河海大学学报，河海大学学报，20112011，3939（3 3）：）：）：）：269-276269-27622李李李李 晶，鹿晓阳，陈世英结构优化设计理论与方法研究进展晶，鹿晓阳，陈世英结构优化设计理论与方法研究进展晶，鹿晓阳，陈世英结构优化设计理论与方法研究进

2、展晶，鹿晓阳，陈世英结构优化设计理论与方法研究进展JJ工程建设，工程建设，工程建设，工程建设，20072007，3939（6 6）：）：）：）：21-3121-3133龙龙龙龙 腾，刘腾，刘腾，刘腾，刘 莉，李怀建，杜小菁可行方向莉，李怀建，杜小菁可行方向莉，李怀建，杜小菁可行方向莉，李怀建，杜小菁可行方向SUMTSUMT外点法的研究及应用外点法的研究及应用外点法的研究及应用外点法的研究及应用JJ系统系统系统系统工程与电子技术，工程与电子技术，工程与电子技术，工程与电子技术，20112011，3333（2 2）：）：）：）：685-689685-68944龙龙龙龙 腾，刘腾，刘腾，刘腾，刘 莉

3、，彭莉，彭莉，彭莉，彭 磊基于可行方向序列磊基于可行方向序列磊基于可行方向序列磊基于可行方向序列(xli)(xli)无约束极小化技术外点法的改进无约束极小化技术外点法的改进无约束极小化技术外点法的改进无约束极小化技术外点法的改进协同优化策略协同优化策略协同优化策略协同优化策略JJ机械工程学报，机械工程学报，机械工程学报，机械工程学报，20132013，4949（3 3）：）：）：）：153-162153-16255孙扬镰，娄常青，徐也平，王柏生具有智能的拱坝设计系统孙扬镰，娄常青，徐也平，王柏生具有智能的拱坝设计系统孙扬镰，娄常青，徐也平，王柏生具有智能的拱坝设计系统孙扬镰，娄常青，徐也平，王

4、柏生具有智能的拱坝设计系统JJ水利学报，水利学报，水利学报，水利学报，19951995，（，（，（，（7 7）：）：）：）：79-8379-83第1页/共23页第二页，共23页。参考文献参考文献66孙孙孙孙 静罚函数法及在钢筋混凝土梁优化设计中的应用静罚函数法及在钢筋混凝土梁优化设计中的应用静罚函数法及在钢筋混凝土梁优化设计中的应用静罚函数法及在钢筋混凝土梁优化设计中的应用JJ山西建筑，山西建筑，山西建筑，山西建筑，20102010，3636（2626）：）：）：）：78-7978-7977陈陈陈陈 波，预应力钢管波，预应力钢管波，预应力钢管波，预应力钢管(gnggu(gnggu n)n)混凝

5、土柱优化设计的罚函数法混凝土柱优化设计的罚函数法混凝土柱优化设计的罚函数法混凝土柱优化设计的罚函数法JJ特种结构，特种结构，特种结构，特种结构，20082008，2525（1 1）：）：）：）：28-3028-3088杨万斌，薛玺成南水北调双线隧洞优化设计杨万斌，薛玺成南水北调双线隧洞优化设计杨万斌，薛玺成南水北调双线隧洞优化设计杨万斌，薛玺成南水北调双线隧洞优化设计JJ水利学报，水利学报，水利学报，水利学报，20002000（1010）：）：）：）：48-5148-5199林贤根，盛尔迈利用罚函数优化设计门式刚架的研究林贤根，盛尔迈利用罚函数优化设计门式刚架的研究林贤根，盛尔迈利用罚函数优化

6、设计门式刚架的研究林贤根，盛尔迈利用罚函数优化设计门式刚架的研究J.J.工业建筑，工业建筑，工业建筑，工业建筑，20082008，3838（8 8）：）：）：）：86-8886-881010马马马马 骋，李骋，李骋，李骋，李 迅，姚家晖，张连生一种新的求解带约束的有限极大极小问迅，姚家晖，张连生一种新的求解带约束的有限极大极小问迅，姚家晖，张连生一种新的求解带约束的有限极大极小问迅，姚家晖，张连生一种新的求解带约束的有限极大极小问题的精确罚函数题的精确罚函数题的精确罚函数题的精确罚函数JJ应用数学和力学，应用数学和力学，应用数学和力学，应用数学和力学，20122012，3333（2 2）：）：

7、）：）：250-264250-264第2页/共23页第三页，共23页。2.1 工程工程(gngchng)结构优化设结构优化设计研究进展计研究进展2.1.1 研究研究(ynji)意义意义 对工程结构优化设计进行了综述，通过最近的文献综述，了解对工程结构优化设计进行了综述，通过最近的文献综述，了解本学科的研究历史、现状，并能在一定程度本学科的研究历史、现状，并能在一定程度(chngd)上把握学科上把握学科未来的研究走向、重点及热点。对优化设计研究内容做一个整体的未来的研究走向、重点及热点。对优化设计研究内容做一个整体的把握。把握。第3页/共23页第四页，共23页。2.1 工程工程(gngchng)

8、结构优化设结构优化设计研究进展计研究进展2.1.3 研究研究(ynji)方法方法截面截面(jimin)（或尺寸）优化（或尺寸）优化不确定性优化不确定性优化现代工程现代工程优化设计优化设计形状优化形状优化多目标优化多目标优化工程系统优化工程系统优化传统工程传统工程优化设计优化设计工程优化工程优化设计理论设计理论拓扑优化拓扑优化基于可靠度的优化设计基于可靠度的优化设计模糊优化设计模糊优化设计图图2-1 工程结构优化设计理论分类工程结构优化设计理论分类第4页/共23页第五页，共23页。2.1 工程结构工程结构(jigu)优化设计研优化设计研究进展究进展最优准则法最优准则法现代优化算法现代优化算法优化

9、设计方法分类优化设计方法分类数学规划法数学规划法遗传算法遗传算法模拟退火算法模拟退火算法人工神经网络算法人工神经网络算法图图2-2 工程结构优化设计工程结构优化设计(shj)方法分类方法分类第5页/共23页第六页，共23页。2.1 工程工程(gngchng)结构优化设结构优化设计研究进展计研究进展 存在存在(cnzi)的问题的问题准则法考虑的问题比较准则法考虑的问题比较(bjio)局限，对不同的约束要采用不同的准则。局限，对不同的约束要采用不同的准则。实际的工程结构优化设计约束条件较为复杂，传统寻优算法中准则法存在一定的缺陷，不能很好实际的工程结构优化设计约束条件较为复杂，传统寻优算法中准则法

10、存在一定的缺陷，不能很好地解决复杂的工程问题。地解决复杂的工程问题。除截面（或尺寸）优化已相对完善，其余优化理论仍有待完善。除截面（或尺寸）优化已相对完善，其余优化理论仍有待完善。2.1.5 结论结论形状优化、拓扑优化形状优化、拓扑优化截面（或尺寸）优化截面（或尺寸）优化多目标优化多目标优化单目标优化单目标优化不确定性优化不确定性优化确定性优化确定性优化静动力优化静动力优化静力优化静力优化仿生学算法仿生学算法准则法、数学规划法准则法、数学规划法第6页/共23页第七页，共23页。2.2 罚函数法及在钢筋罚函数法及在钢筋(gngjn)混凝土梁优化设计中的应用混凝土梁优化设计中的应用2.2.1 研究

11、研究(ynji)意义意义 优化设计的方法很多，包括拉格朗日乘子法、复形法、模糊优化法、优化设计的方法很多，包括拉格朗日乘子法、复形法、模糊优化法、罚函数法等等。而近来很多研究者又采用各种优化方法的改进方法进行罚函数法等等。而近来很多研究者又采用各种优化方法的改进方法进行(jnxng)优化设计，譬如模糊动态罚函数法、模糊罚函数遗传算法等。但优化设计，譬如模糊动态罚函数法、模糊罚函数遗传算法等。但是最有效的方法还是罚函数法。是最有效的方法还是罚函数法。2.2.2 研究方法研究方法 罚函数的基本思路是原有的罚函数的基本思路是原有的约束条件约束条件反映到新的反映到新的目标函数目标函数中去，即在目中去，

12、即在目标函数之后增加一标函数之后增加一个惩罚项个惩罚项，然后通过求解一系列的无约束问题来逐步逼近，然后通过求解一系列的无约束问题来逐步逼近原问题的最优解。具体可分为原问题的最优解。具体可分为外点法外点法、内点法内点法、混合法混合法。第7页/共23页第八页，共23页。2.2 罚函数法及在钢筋混凝土梁罚函数法及在钢筋混凝土梁优化设计优化设计(shj)中的应用中的应用1.外点法外点法通常罚函数法的基本形式通常罚函数法的基本形式(xngsh)如下如下求求使使满足满足(mnz)转换为求解一系列如下形式的无约束最优化问题转换为求解一系列如下形式的无约束最优化问题 系数系数k的序列为的序列为第8页/共23页

13、第九页，共23页。2.2 罚函数法及在钢筋混凝土梁罚函数法及在钢筋混凝土梁优化设计优化设计(shj)中的应用中的应用2.内点法内点法通常通常(tngchng)罚函数法的罚函数法的基本形式如下基本形式如下求求使使满足满足(mnz)转换为求解一系列如下形式的无约束最优化问题转换为求解一系列如下形式的无约束最优化问题 系数系数k的序列为的序列为第9页/共23页第十页，共23页。2.2 罚函数法及在钢筋混凝土梁罚函数法及在钢筋混凝土梁优化设计优化设计(shj)中的应用中的应用3.混合法混合法通常通常(tngchng)罚函数法的基本形式罚函数法的基本形式如下如下求求使使满足满足(mnz)转换为求解一系列

14、如下形式的无约束最优化问题转换为求解一系列如下形式的无约束最优化问题 系数系数k的序列为的序列为第10页/共23页第十一页，共23页。2.2 罚函数法及在钢筋混凝土梁罚函数法及在钢筋混凝土梁优化设计优化设计(shj)中的应用中的应用4.算例分析算例分析(fnx)矩形截面钢筋混凝土简支梁材料费用矩形截面钢筋混凝土简支梁材料费用(fi yong)最少的设计：最少的设计：第11页/共23页第十二页，共23页。2.2 罚函数法及在钢筋罚函数法及在钢筋(gngjn)混凝土梁优化设计中的应用混凝土梁优化设计中的应用利用外点罚函数利用外点罚函数(hnsh)法求解，根据优化模型建立罚函数法求解，根据优化模型建

15、立罚函数(hnsh)如下式：如下式：利用内点罚函数法求解，根据利用内点罚函数法求解，根据(gnj)优化模型建立罚函数如下式：优化模型建立罚函数如下式：利用利用混合混合罚函数法求解，根据优化模型建立罚函数如下式：罚函数法求解，根据优化模型建立罚函数如下式：经过利用罚函数的三种方法进行求解经过利用罚函数的三种方法进行求解,得到的结果得到的结果基本一致基本一致。第12页/共23页第十三页，共23页。2.2 罚函数法及在钢筋罚函数法及在钢筋(gngjn)混凝土梁优化设计中的应用混凝土梁优化设计中的应用2.2.3 存在存在(cnzi)的问题的问题 起始选择的罚因子起始选择的罚因子对迭代次数影响较大对迭代

16、次数影响较大(jio d)，如果开始时选择的罚因子，如果开始时选择的罚因子很合适，迭代次数将大大减少，反之，迭代次数将明显增加，对于大型问题尤为很合适，迭代次数将大大减少，反之，迭代次数将明显增加，对于大型问题尤为显著。显著。2.2.4 结论结论 现在很多优化设计方法都是在罚函数法的基础上进行改进而发展起来的。现在很多优化设计方法都是在罚函数法的基础上进行改进而发展起来的。对于罚函数方法中到底选择哪种具体的方法进行求解，需要根据对于罚函数方法中到底选择哪种具体的方法进行求解，需要根据具体情况具体情况来来选择，选择最合适的方法来进行设计。选择，选择最合适的方法来进行设计。第13页/共23页第十四

17、页，共23页。2.3 南水北调双线隧洞南水北调双线隧洞(su dn)优化设计优化设计 2.3.1 研究研究(ynji)意义意义 南水北调中线工程北段中的一些交叉建筑物设计为单渠南水北调中线工程北段中的一些交叉建筑物设计为单渠双洞布双洞布置方案，确定合理的两洞间距，对水流流态，洞间岩体稳定置方案，确定合理的两洞间距，对水流流态，洞间岩体稳定(wndng)，隧洞进、出口段的岩体开挖和边坡处理工程量都有重要意义。隧洞进、出口段的岩体开挖和边坡处理工程量都有重要意义。2.3.2 研究方法研究方法序列无约束极小化（序列无约束极小化（Sequential Unconstrained Minimizatio

18、n Technique，SUMT）（罚函数）方法。）（罚函数）方法。一是一是断面形态断面形态的优化，二是的优化，二是洞间间距洞间间距的优化，两者之间相互依赖、相互制约。的优化，两者之间相互依赖、相互制约。第14页/共23页第十五页，共23页。2.3 南水北调双线隧洞南水北调双线隧洞(su dn)优化设计优化设计1设计设计(shj)变量：变量：隧洞隧洞(su dn)的跨度、边墙高、抛物线拱高和两洞之间的间距的跨度、边墙高、抛物线拱高和两洞之间的间距4个变量个变量2目标函数：目标函数：两洞围岩两洞围岩破坏的总面积破坏的总面积作为目标函数作为目标函数f（x）设定破坏区做为目标函数，有利于对围岩稳定的

19、直观判断，且与围岩的设定破坏区做为目标函数，有利于对围岩稳定的直观判断，且与围岩的加固工程量和造价密切相关。加固工程量和造价密切相关。第15页/共23页第十六页，共23页。2.3 南水北调双线隧洞南水北调双线隧洞(su dn)优化设计优化设计3约束条件：约束条件：隧洞断面应满足设计过流量的要求，对长距离引水工程隧洞断面应满足设计过流量的要求，对长距离引水工程(gngchng)，在沿程的不同，在沿程的不同断面上对水深或水位亦有要求。断面上对水深或水位亦有要求。式中：式中：x1：单洞的跨度，：单洞的跨度，x2：边墙高，：边墙高，x3：拱的曲线系数：拱的曲线系数(xsh)，拱顶为抛物线形，拱顶为抛物

20、线形时，时，x3为为，x4：两洞中心间距。：两洞中心间距。第16页/共23页第十七页，共23页。2.3 南水北调双线隧洞南水北调双线隧洞(su dn)优化设计优化设计计算结果：计算结果：“锚岩力学锚岩力学(l xu)参数参数”法计算法计算围岩破坏面积围岩破坏面积(min j)分布图分布图（L:锚杆长度；锚杆长度；b：锚杆间距）：锚杆间距）第17页/共23页第十八页，共23页。2.3 南水北调双线隧洞南水北调双线隧洞(su dn)优化设计优化设计优化分析优化分析(fnx)结果结果汇总汇总 在在3种锚固工况中选用种锚固工况中选用L/b=3为最优布锚方案，锚杆间距，长度。为最优布锚方案，锚杆间距，长

21、度。L/b=5时，目标函数时，目标函数并无多大改善，说明锚杆加密到一定并无多大改善，说明锚杆加密到一定(ydng)程度后，再加密也无必要。程度后，再加密也无必要。第18页/共23页第十九页，共23页。2.3 南水北调双线隧洞南水北调双线隧洞(su dn)优化设计优化设计2.3.3 存在存在(cnzi)的问题的问题 序列无约束极小化方法序列无约束极小化方法(fngf)和和“锚岩力学参数锚岩力学参数”法结合。法结合。2.3.4 结论结论 建立的数学模型和选用的优化算法对非均质岩体、双线或多条洞室、无建立的数学模型和选用的优化算法对非均质岩体、双线或多条洞室、无锚或锚固的围岩进行优化设计是锚或锚固的

22、围岩进行优化设计是可行可行的。的。第19页/共23页第二十页，共23页。3总结总结(zngji)3.1 优化设计优化设计(shj)的重要性的重要性 工程结构优化设计工程结构优化设计(shj)具有很好的发展前景，具有相当的工程效益。具有很好的发展前景，具有相当的工程效益。（如拱坝，钢筋砼梁等）（如拱坝，钢筋砼梁等）3.2 优化设计的推广优化设计的推广 目前，优化设计目前，优化设计工程应用工程应用落后于落后于理论研究理论研究，尽可能地将优化设计成果转化到，尽可能地将优化设计成果转化到工程应用，发挥工程效益。工程应用，发挥工程效益。推广推广设计设计人员可接受，人员可接受，工程各方工程各方受益研究成果。受益研究成果。第20页/共23页第二十一页，共23页。4编写编写(binxi)的程序的程序n n利用利用(lyng)Fortran(lyng)Fortran编程编程 应力(yngl)比法齿形法法分数法牛顿法平分法第21页/共23页第二十二页，共23页。第22页/共23页第二十三页，共23页。