ansys優(yōu)化算法在鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用對比研究

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1、ANSYS優(yōu)化算法在鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用對比研究　　摘要：本文利用大型通用有限元軟件ANSYS對某住宅鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，合理有效地降低結(jié)構(gòu)的用鋼量，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。對零階與一階優(yōu)化算法在住宅鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的具體實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了探討，對兩種算法的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率進(jìn)行了對比分析,提出了應(yīng)用建議。關(guān)鍵詞：ANSYS、住宅鋼結(jié)構(gòu)、零階優(yōu)化算法、一階優(yōu)化算法、優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類號：N945.15文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：6現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，以及人們對住宅功能齊全、使用方便、居住舒適、安全節(jié)能

2、等方面的要求，使鋼結(jié)構(gòu)住宅逐步替代傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅，成為住宅產(chǎn)業(yè)的一只新生力量。在鋼結(jié)構(gòu)工程中，鋼材的用量是非常巨大的，這其中不免會存在材料安全儲備太高，過于浪費(fèi)的情況。住宅鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，合理的利用鋼材，盡最大可能的減少用鋼量，從而實(shí)現(xiàn)降低工程造價(jià)的目的。本文的研究依托于ANSYS軟件兼有有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢，利用零階和一階優(yōu)化算法，針對某多層住宅鋼結(jié)構(gòu)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對兩種算法進(jìn)行了優(yōu)化效果比較。一、ANSYS的優(yōu)化算法ANSYS提供了兩種優(yōu)化算法，

3、ANSYS對這兩種方法提供了一系列的“分析—評估—修正”的循環(huán)過程，即對于初始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對分析結(jié)果就設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評估，然后修正，這一循環(huán)過程重復(fù)進(jìn)行，直到所有的設(shè)計(jì)要求都滿足為止。1.1零階優(yōu)化算法該方法僅需要因變量的數(shù)值，而不需要其導(dǎo)數(shù)信息。因變量（目標(biāo)函數(shù)及狀態(tài)函數(shù)）首先通過最小二乘擬合值近似，而約束極小化問題用罰函數(shù)轉(zhuǎn)換成無約束問題，極小化過程在近似的罰函數(shù)上進(jìn)行迭代，直至獲得解得收斂。1.2一階優(yōu)化算法該方法計(jì)算并利用導(dǎo)數(shù)信息進(jìn)行優(yōu)化。約束優(yōu)化問題通過罰函數(shù)轉(zhuǎn)換成無約束優(yōu)化，對目標(biāo)函數(shù)及狀態(tài)變量的罰函數(shù)計(jì)

4、算導(dǎo)數(shù)，形成設(shè)計(jì)空間中的搜索方向。在每次迭代中，實(shí)施最速下降及對偶方向搜索直至達(dá)到收斂。二、ANSYS優(yōu)化算法在住宅鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用6完整的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序包含兩個(gè)文件：執(zhí)行文件和優(yōu)化文件。所謂執(zhí)行文件，即可以獨(dú)立完成一次有限元分析的控制文件，他從功能上實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化建模、加載、求解和后處理的工作。而優(yōu)化文件，是優(yōu)化設(shè)計(jì)程序的指揮部，該文件聲明了設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)及他們的變化區(qū)間和收斂精度，優(yōu)化文件循環(huán)調(diào)用執(zhí)行文件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。限于篇幅,下面主要介紹ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化文件，與優(yōu)化設(shè)計(jì)有關(guān)變量的聲明、優(yōu)

5、化方法的選擇和優(yōu)化過程中一些細(xì)節(jié)設(shè)置都在優(yōu)化文件里完成。2.1住宅鋼結(jié)構(gòu)基本概況住宅鋼結(jié)構(gòu)為六層鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系。各樓層變化小多為標(biāo)準(zhǔn)層（見圖2.1.1），結(jié)構(gòu)形式平立面規(guī)則。主體結(jié)構(gòu)采用的構(gòu)件往往傾向于少數(shù)幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的截面形式，鋼梁GL1(H400x120x6x8)從數(shù)量上占整個(gè)結(jié)構(gòu)梁構(gòu)件的88%，從重量上占整個(gè)結(jié)構(gòu)梁構(gòu)件的78%之多。本文對住宅鋼結(jié)構(gòu)整體分析，針對型鋼梁H400x120x6x8開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，更有效地達(dá)到結(jié)構(gòu)材料最省、造價(jià)最低的優(yōu)化目標(biāo)。圖2.1.1鋼結(jié)構(gòu)住宅標(biāo)準(zhǔn)層簡圖2.2ANSYS優(yōu)化模型的建

6、立應(yīng)用ANSYS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是數(shù)學(xué)里的求函數(shù)條件極值問題，設(shè)計(jì)變量是自變量，由自變量構(gòu)成的函數(shù)被稱為目標(biāo)函數(shù)，狀態(tài)變量是相對于自變量的因變量，是對于自變量的附加條件。（1）定義設(shè)計(jì)變量。本文針對GL1的高、翼緣寬和翼緣厚度三個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。；；。ANSYS的優(yōu)化模塊會在該指定的上下限范圍內(nèi)篩選設(shè)計(jì)變量的值。6（2）設(shè)定狀態(tài)變量。狀態(tài)變量是相對于自變量的因變量，是對于自變量的附加條件。依據(jù)現(xiàn)行各規(guī)范，該住宅鋼結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變量主要考慮：梁構(gòu)件撓度、梁構(gòu)件正負(fù)彎矩、梁構(gòu)件剪力、梁柱節(jié)點(diǎn)剪力、梁柱節(jié)點(diǎn)彎矩及截面構(gòu)造

7、要求。需要指出的是，為簡化計(jì)算量，本文會根據(jù)不同的狀態(tài)變量將GL1進(jìn)行歸并分組。在優(yōu)化文件中，撓度變量的每個(gè)分組都是直接給出的最大撓度限制；而正負(fù)彎矩、剪力、節(jié)點(diǎn)剪力及節(jié)點(diǎn)彎矩都采用差值作為代表值，對應(yīng)的狀態(tài)變量下限取零；對于鋼梁構(gòu)造要求（腹板高厚比和翼緣寬厚比），本文直接給出具體數(shù)值作為它們的上限，保證構(gòu)件從局部穩(wěn)定性上滿足規(guī)范規(guī)定。（3）確定目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)是自變量的函數(shù)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的總用鋼量。程序的執(zhí)行思路：通過內(nèi)部的單元表功能獲取整個(gè)結(jié)構(gòu)的鋼材體積，體積乘以密度7.830進(jìn)而得出目標(biāo)函數(shù)結(jié)構(gòu)的總用鋼量。設(shè)定的

8、目標(biāo)函數(shù)的容許公差為0.01，即當(dāng)?shù)趎+1組和第n組優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)差值再除以第n組優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)值時(shí)，認(rèn)為目標(biāo)函數(shù)收斂，獲得最優(yōu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。2.3對比優(yōu)化迭代結(jié)果首先選擇零階算法進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)置允許迭代的最大次數(shù)為30，設(shè)置最后連續(xù)出現(xiàn)7個(gè)不可行的設(shè)計(jì)序列時(shí)，終止優(yōu)化過程。ANSYS迭代27次后停止，第10次為最佳設(shè)計(jì)序列。生成GL1的最優(yōu)截