（水工结构工程专业论文）基于生命周期优化模型和改进的免疫遗传算法的桁架结构截面优化设计.pdf

摘要 目前，结构设计人员在进行优化设计时，只考虑了设计阶段的结构 优化和初始投资费用，而没有考虑结构从设计到失效的生命周期内性能 的变化，也没有计入相应发生的费用，但是结构在服役期间的性能是随 着时间而逐渐劣化的，而且在一些情况下，结构服役期间总的维修费用 会超过它的初始造价。所以，结构的优化设计应着眼于设计费用与服役 期间维修费用的平衡，从而达到生命周期费用的最低。由于本文的研究 对象为桁架结构，因此建立了其优化设计的简单生命周期模型。 遗传算法是一种模拟自然界生物进化的搜索算法，由于它简单易行、 鲁棒性强，尤其是不需要专门的领域知识而仅用适应值函数作评价来指 导搜索过程，从而使它的应用范围极为广泛，并且已在众多领域得到了 实际应用，取得了令人瞩目的成果。但是在遗传算法的实际工程优化应 用中，常常存在早熟收敛和收敛性能差等问题。 根据生物机体免疫系统的抗原识别、保持抗体的多样性和免疫记忆 的特性，本文提出了一种改进的免疫遗传算法( i i g a ) ，该算法将生物系 统免疫思想引入到遗传算法中，通过计算抗体之间的亲和度来促进和抑 制抗体，既保留了全体中的较优抗体又保证了抗体的多样性，从而避免 搜索进化的过早收敛，得到全局最优解，并且采用一种直接比较法对约 束进行处理以及对交叉和变异概率进行自适应调整，进一步增强了搜索 的效率和性能。 通过将i i g a 应用到离散变量桁架结构的生命周期优化，表明i i g a 具有很好的搜索能力，能够很好地解决此类寻优问题，并且实际应用效 果令人满意。 关键词：生命周期模型，免疫遗传算法，桁架结构，优化设计 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，、h e ns t r u c t u r ed e s i g n e r sa r ed o i n go p t i l 至z a t i o nd e s i g n ， t h e y o n l yc o n s i d e rs 拄u c t u r eo p t i m i z a t 主o no f 娃e s i g np h a s e 拄n di n i t 主a lc o s t ，a n dd o n t c o n s i d e r c h a l l g e o fs t r u c t u r e p o r f b 姗a n c o f r o m d e s i g n t of a i l u r ea n d c o r r e s p o n d i n gc o s t ， b u ts n u c t u r ep e f f o r m 姐c ei sd e s c e n d i n gd u r 主n gt h e s t n l c t u r c ss e r v i c et i m e ，a l l di ns o 堇n ec a s e s ，t h ew h o i em a i n t e n a n c e s td u r i n g i t ss e r v i c et i m ec a l le x c e e di n 城砒c o s t t h u s ，s 圩u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s 堍n s h o u l da i mt or e a c hm i n i m u ml i f cc ) l ec o s tw i 也av i e wt ot h eb a l a 堇l c eo fd e s i g n c o s la n dm a 赫t e n a n c ec o s td u r i n gs e r v i c et i m e a st h ep a p e r sr c s e a f e ho b j e c ti s t m s ss t r u c t u r c ，as i m p l el i f ec y c l eo p t 主m i z a t i o nm o d e lf o ri “se s t a b l i s h e d t 量l eg e n e t i c 蠢g o r i 也mi sak i n do fs e a r c h i n g | x l e t h o dw h i c hs i m u l a t e st h e n a t 戳a le v o l u t i o n 。l t 括s 主m p l ea n de a s yt oi m p l e m e n t ， e s p e c i 甜l yi td o e s 北e d t h es p e c i a lf i e l dk n o w l e d g e ，s oi th a sb e e nu s e di ne v e r yb r o a d 珏e l d s w h e ng a a r eu s e di ns o l v i n gf e a le n g i n o e f 丑go p t 白n a lp r o 班e l 硅s ， s u c hd i s a d v a n t a g e sa s p r e m 采u 糟c o n v e r g e n c eo fw e a ka b i l i t yo fl o c 最js e 8 r c hw i l lo c c u t b a s e do n 廿l em e c h a n i s mo f s u c hf e a t u r e sa sa n t i g e nr e c o g n i t i o n ， v a r i a b i l “y o fa n t i b o d y 鞠di m m u n em e m o f yi ni m m u n es y s t e m s ， an e wi m p r o v e di g a ， n a m e l y ， 王l n p r o v e di m m u n eg e n c t i ca l g o f i t h mi sp f e s e n t e dt n t h st h e s i s 融 o r d e rt oo v e r c o m ep r e m a t u r ec o n v e r g e n c ea n d6 n do u to p t i m a ls o l u t i o n ， t h e i m m 硼ei n e c h a 正s mo fc f e a t u r ei su s e di nl i g aa n da n t 主b o d i e s 诚l lb ep r o m o t e d o rr e s t r a i n e da c c o r d i n gt ot h ec o m p u t a t i o nr e s u l to f a 艏n h yb e t w e e na n t i b o d i e s ， w h i c hr e s e r v 鹳t l l ee x c e l l e n ta n t i b o d i e sa sw e l la sg l l a r a n t e e st l l ev a r i a b i l i t yo f a n t 王b o d y ad i f e c te o m p 舯i s o nm e t h o d 主sp f o p o s e dt oc o p ew i 氇c o n s 拄a i n t s ， 8 n d c r o s s o v e ra l l dm u t a t i o n p r o b a b i l i t y a r e a d j u s t e da d a p t i v e l y ， t h e s et w o i m p r o v e m e n t 如r 吐斟e n h a n c es e a r c h i n ge 衢c i e n c ya i l dp e r f o r m a i l c e b ya p p i y i n gi g at o1 f ec y c l eo p t i m i z a 圭 o no ft r u s ss t r u c t 埘e 溺也d i s c r e t e d e s i g nv a r i a b l e s ， i t sp r o v e dt h a tt h ei i g a p o s s e s s g o o ds e a r c h i n ga b i l i t y ，i tc a n s o l v et h i sk i n do fp r o b l e m se x c e l l e m l y ，a n dt h ep r a c t i c a l r e s u l t sa ：r es a t i s f a c t o r y k 叼唧o r d s ：l i f ec y c l em o d e l ， i m m u n eg e n e t i ca l g o r i t h m ，i h s ss t r l l c t l l r e ， o p t i m i z a t i o nd e s i g i l 游强大学竣士学短豫文 攀l 章绪论 第l 章绪论 1 1 谍题背景和研究意义 今天，科学技术点处于相拦交叉，帮渗透豹时代，许多研究谋题已经不能 单靠一个领域的理论和方法能够解决，许多边缘科学正是多个领域交叉发熙 的结果，人们不断把一个颁域的璐究戏果艨用予晏一个领域中。特别蹙计算 税科学彝鼓寒豹迅速发展，从檄本上敬交了入餐的生产与生活，两霹，随饕 入黉奎存空蠢麴扩大菝及谈谈移改造 筵器蕊整夔舞塞，太褒对稀学技术援渗 了新静更意麴要隶，冀孛薅煮效戆麓髓绕纯算法靛要漾强益遭镯。遗球上塞 活着入类农数子万穆生耱，冬葶枣瑟次、务辩类型豹生裙薅系移生耪环壤蕴涵 着无数未解之谜，人类利用生物技术解决工程问题产生了仿生学。人们从嫩 物现象获得灵感，模拟自然现象域避稷以及生物系统特性韵理论和技术不断 涌现和发展。生物免疫系统是一个复杂的自适应系统，可以保护人体不爨外 部病原体侵害，并把体内细胞分成自体细胞和来源外部的非自体细胞，它不 依靠任何中心控制，其有分布式馁势娥臻能力，其有在局部采取行动的锶能， 同时通过起交流像用的化学信息擒戏网络，进蔼形成全局概念。借鉴和利用 人体免疫系统的原理和机制而发髓的人工兔疫系统受到重视，并已用于枫器 攀嚣、菽障诊叛、辊器入学、鑫动授器8 、 算梳安全、最优坑伍、数据分掇 譬领域f 棚。 谯纯设诗是竣诗凝念与方法静一耱孳念，它矮系统戆、蓦魏定淘豹秘密 良好标准豹过程与方法寒代替臻绫熬试验鲻锗戆手方法。魏豫设诗怒寻茨 最好或最合壤的设计方案，箍优化方法便是达到这一髫翡的手段。最然辩大 多数现实问题而言，“最好”的不定能实现，但它提供了一种指导思想与标 准，形成了概念帮运作手莰。只辨一个阔题存在有多种可能鹅方案，它就w 以利用优化的思想和概念来更好地解状，故优化方法是求勰问磁和帮助决策 的蘑臻手段和土其。虽然以直接法和解析法为主导的传统结构优化方法融在 番葶 实际工程中得到了广泛的成用。健在一些特殊闯鼹的处理上如非遽续设 计变量问题、多极值点问题、目橼飚数的强非线性问题等，特别是许多传绕 算法需簧计算嚣标函数的偏导数，这不但露要目标函数具有良好的连续幢， 藤且绘诗霎带来了投大兹麻烦。兔疫舞法褥势一嵇与鞋往方法截然不潮黪耨 游涯大学硕士学证论文 第 章绪论 方法，为缝穆往建设谤开耱了一条菠愚疆。 广义的结构设计翻应蹩包括多个除段f 设诗除段、建造除段、霞髑除段、 失散除段) 并盥考瘩结构生命始终瀚生禽援期全过程设计。设计时，主要关 心三个阉题：一是结构的承载能力，要浓结构在荷载作用下不会失效；二怒 缩构的耐久性能，要求结构的承载能力猩规定的时间内不会因恶化而失效； 三是结构的经济效益，如果对一个结构选择过高的设计值将增加初始费用， 艇选搀过低豹设计值则会增力日将来的娥修费用，嚣瓶从社会的角度考虑，设 计者应考虑设计与整令生命期肉维修的练合平德。如果一个结构设诗要这到 念过程最优，那么就必须将从初始设计到维修直至失效的各个阶段作为一个 究熬并且捆互联系的设计过程来考虑。 程潋往关予绩擒设毒卡豹磷究中，人 | 、j 糕往注重予结麴设计粥魏经济毽秘 露纛蛙翡分褥，爨袋予蘩魏翡拐娥获态，对结褥骚役鬻翡王终获惫熬褪无藉， 帮憨狡了除建造霹夔藜魏液奉终，爨蠢缭褥溅役鬟匿大夔维修秘露费臻。绫 糖程使用过程中，由于结镌本身靛震撼跤陷激及环境和蓠载匏共闲俸震，缭 褥的性能会随辩阉逐渐劣化，如变形的增大、裂缝宽发的扩展、钢筋或钢浆 锈蚀、混凝士的剥落、风化和磨损等，人们通过经常性的维修来题长其使用 潜命或维护其使用功能。结构在其嫩命周期中的可靠性是随着时间变化的， 所阻要解决结构设计的经济性和可靠性之间的矛盾，应着眼于结构的整个嫩 髑鬻，要考虑赧役絮润常翘维护费雕、修葳费爰等豹发生，在很多情况下， 结构服役期间总的维修费用会超过它的襁始造价。 有鉴于此，本文提出了一种结构优化的生命周期模型，同时对人工兔痰 系统鞫兔疫冀法靛研究翻戍翅加以系统的介缓和讨论，并对算法烟以适当的 敬遴，建予更好遣簿决基予生命周麓瓣结擒优傀谩骨。 圭2 桁架结梅优纯设计憋研究现状 榜架结构是一秭应丑l 穗墨缀广的络梅形式，它囊若干秆嚣和连接枵谗瀚 铰结点组成，分为平面桁架和空间桁架。出于杆件之间互相支撑作用，且刚 艘大、整体性好、抗震能力强，所以能够承受来自多个方向的荷载。而且具 翁络构简单、拆装方便、运输便利等诸多优点，其广泛应用于各种工程领域， 魍插靛空航天、桥梁建筑、车辆、屡藤、越重结构等。梅架结构中自予备杆 件的鼹力情况不同，应力也不完全一样，合理的设计桁架结构，使其在满足 多糖约束的条 孛下，各杆都能最大限艘地承受载荷，这样就可以有效合理的 2 龋江大学硬士学缱论文 燕l 章缝论 分配结榴静承载能力，达翻减轻缡构震星的露的。 桁架缭构的优化设计患想扶马克斯威尔理论 m 8 x w e l l ，i 8 9 0 ) 的提出 弱米歇尔输架( m i e k l l ，1 9 0 4 ) 豹融现，已有百年历史，特剐筵在过去4 0 多 年中，桁架的优化设计在理论、算法和应用方筒都取得了很大地发展。剐目 前为止，国内外学者已经提出了缀彩桁架优化设计的方法。 国外学者对桁架结构优化设计起步较早。1 9 6 0 年，s c h m i t 首次 鸯造了寥 工况下弹瞧结构优亿没计的数学横溅f l ，摄蛙l 了应月数学规划法来求勰闽 题，从此开始了结构优化设计的新阶段。1 9 6 4 年，d o m 等人采用平藤桁絮 缝擒定义一组可髓静警点位置毂办法，并结合添翔线性翘划昶塑性设计原瑷 逶行了竣轻重量藤架戆形状饶纯。l s 年，c o 撒e l l l 玎1 搀出带毒运动壤羧瓣窿 残线甓疑翅法，最嚣建莰诗了雅絮耱 警截嚣霹节熹整萋黛稼。| 9 静年， v e 放a y y 矿吲和( 涛l l a t l y 吲等入疆爨了最优毪准刘方法，按照颈先蕊定豹最优 | 矬准则来选择设计变叠的迭代模式，加快了收敛速度。1 9 7 0 年，p e d c f s o n 【1 6 提出了单工况下平压榜絮的形状键能方法，以秆彳牛截面积和节点坐标为设计 变量，考虑了应力和稳定约束。1 9 7 2 年，v 趾d e r p l a u s 和m o s e s i l 7 】提出的分滕 优化方法，先用应力比法进行杆件的截面优化，而后用最速下降法进行节点 坐标的优化。1 9 8 3 年，t e m p l e m a n 和y a t e s 【1 8 】将桁架结构的离散截面优化问 鼹，转化为数每壤杼的多节单元长漤为设计变爨的连续变量线性规划润麓， 在求出番个单元长发的最优值聪，褥反过来确定秆件的截面。1 9 9 4 年， b e n d s o w 等人对于梭架结构在重墩约慕下，最小柔顺性设计及其对偶问题遴 霉亍了深入鲸磅究，德翻修改了佟绞俊纯阚题静捌斌，将鼗类翊瑟表达梵仅含 寿结构状泰变量整移或蠹力) 熬投大极，l 、阉嚣，茨结穆最枣黍簸建魏强标函 数，疆经移为设嚣交蘩，戳耱精瓣露定体积为约寒，矮爱枣势戆琢毽褥琢澜 题化为辍禳翊题，嗣壤弱法或袋遮下降法求解，并设计了高教处理j # 光滑倪 化问题的精确算法，扶藤极大地凝赢了此类优纯问题的求解效率。 我稻国家对于徐架续掏瓣优傀设计研究投入也裰大，取褥了不少研究成 果。1 9 8 1 年，王光远和霍达提出了结构两相优化方法，这种方法将结构优化 设计分为两个阶段进行，第一阶段使准则的力学条件充分满足：第二阶段求 瓣结构的最轻设计【2 0 ，2 ”。1 9 8 7 年，隋允康避过函数变换找到了满应力豹欧射 解，对1 4 种公式翡收敛情况避行了验算1 2 2 j ，并对桁架结构离散变量的伉忧 闻题，通过无量缎化解决了不同长度的轩侔难以实现设计变量连接的闻怒 彬l 。1 9 9 0 年，宋天霞群j 蒋娶拣溺数耱约束函数分裂进行二除翻除强v l o r 矮开，姆藤翘霆转强为典型二次瓣划阚题，矮w o l 凳方法求簿。l 势1 年，攀 濒巍文学璜士学位论文第l 露缝论 兴斯和飘m p l e n l 强1 2 5 ，堋将极大熵原理运用于缩构尺寸优化中，提出了新的优 化算法。1 9 9 4 年，柴出站日等提搬了方向差的概念，并将此橇念斑用予离散变 墼缝稳优像谩诗，毽该方法存在要浓翳拣麓教攀灞递蟪、骛紊蘧数肇落递躐 秘竣诗瓷鬣集台要严穰按嚣瓠醺数麓舞序撵弼麓羯隈毪。l 挚聱4 年，谭中露秘 孙焕缒【2 8 】提出以内力为设计变爨构造序列二次黼划时，与k 1 l h n t u c k e r 条伟 形成线性亘章 问题，用修正的擎纯形法求解。1 9 9 6 年，谭中富b 叫认为程拓扑 优化的黼辩进行节点位莺的器梳，酵阻避免拓扑优化出现的最优解辩辩现象。 1 9 9 6 年，薜向东在综合、改避线性憋数规划中的隐枝举法、分枝定辨滋和割 平瑶法鹩藜旗上，形成适合离散察潮筑划豹豫牧举法积分校定界以及剡平疆 法粥。 遥年慕，桁架结褥魏我豫磷巍傻程继续，裁毙p l 】等人茁播煮隈元殿瀵， 建立了扦单元基本位移的计算方法，将优傀计舞的结构设计变量与瞧懑参数 之间的关系以显式表选出来，提浅了桁絷结构麓分析的一种新方法，节省了 计算对麓。毛帮g f 翘掇碉剿蠲缀构分褥，傀纯系统较磐a s t r 0 s 瓣褥 禁秘橇粪邀褥了基予露靠瞧戆多攘粼铙纯设计。骂竞文霸王黎瑟霹麓遗穰算 法，从夥个起始点开始寻优，采鲻交叉帮变昴算予避免了遮旱收敛剐两部嫒 优解，获得了全局解。柴山睁4 j 等人越立了包含钱颟和拓扑两类变量的离散变 量缝橡优化设计模型，考虑了簸器燮照恭i 撼接嶷蹙之间戆藕合关悉。栖冬梅 p 5 j 等用攥予实验设计法的结构优化方法对桁綮结构进行了几何优化。刘举伟 霸美节黢 哪考虑了动力约束，掇嬲一种将秘类不越性质的设计变量变换为统 一形式黪蠢薰缀设谤燮嚣懿方法。穰敬东帮郭怒提密了一辩8 i r o l a x 嬲辣法 处壤格繁结稳奄舅最爨鼹氯爨，这秘方法逶过对朦愆题懿终柬运数热潋变换， 并予鞋适当放松，使潦润题串鲶予低维遐亿予域上鹃可行点辩近瓣可行城测 度不再为零，从而可以利用已肖的掭孝卜优化算法有效地求出全扁最挽解。 王3 绫构撬纯设 存在熬瓣邀 实际结构的优化问题是一个檄蕊复杂黔趋糕，设计的i 熏程中不倦要辩结 构进行细致的分析，建立合理、谢效、适合于求解的优化数学模型，逐臻应 用优化方法遴行求鳃弗对俊化瓣绺莱邀行会溅豹湃徐与修正。 结构优化设计的霸的是为了达到重量最辍、造价最省等嗣标，因此建立 优化数学模型对不但要综合考虑阐越熬物理力学模型是否熊反映结构设计的 主要特缝，数学模型是否逶会予镱纯寒鲜，甄鬟葵簸长远熬蕊点，帮缀稳获 4 溅泛太学鞭学位论文 第l 露缝德 秘始设计刻维修直至失效酪究整生命周期的角度，来建立合适、合理的模型， 从蕊达到生念髑期优化目标的极小蘧。目蕊，络稳挽纯设计在模型建交阶段 卷在以下瓣阂题： f 1 ) 大部分戆往往设专 酃只扶设计除段鹣熊凄去建立绫梅酶德豫摸溅，谣 不考虑结擒建造螽的骚役鲻间产嫩的费用戳及缡构在一定瓣辩闽内失效的概 率和可能造成的损失； ( 2 ) 一些具有生命周期思想的优化模型往往考虑的因素不够全面，比如 些模烈只是考虑了服役期间的维修，衙忽略常规维护和失效的影响。 络搦谯化设计闯题一般爨肖离散、多峰、不可擞、棼凸等很多不利予浓 辫豹嚣索，嚣兹在镬霜黉绫懿谯纯方法袋罄霹存凌淡下戆主要铗焘： f 1 ) 一般瓣强标函数都誊鞍强麓隈涮犍要求，始连续、蘑微、革添等。这 些要求对予实际结秘懿撬佬设计阏戆跫强苛翔静。 稼) 程实瑗算法之蘩，癸避孪亍大量酶准餐工髂，爨翔求函数鹩一输耨二除 黪数、蘩些矩簿懿遂等。衰弱拣灞数较为复杂靛耩猿下，这一工锌愚缀溺涟 貔，窍辩甚至是不麓瓣。 ( 3 ) 算法结果一般与秘嫡僚的选取霄较大的关系，小网静初始傻可髓鼯致 小间的结聚。初始值的选取较大地依赖于优化者对问题背景的认识及所掌握 的知识。 ( 4 ) 簿法缺乏简单性与遥用憷。针对一个闯趱，优纯方法靛使用露鬻裳眷 襁满静知谖去兴定使瘸鄢一瓣捷偬方法鞍为会邋。这一鬻难是袋能设计广泛 瘦援瓣烹蒺簿碍之一。 f 5 ) 对露些约束嚣往露蘧较滚鲶溪，要袋缀警瓣淹掇集。 缩椅优纯设计除了以上的制麴嚣索外，还存在一些非技术性的瓣题： ( 6 ) 现行的工程建设体制对结构优他设计缺乏有效的激励机制。一般的工 程建设的设计和蓬工是崮不两的公镯承攘的。建设单位缺乏对优纯设计麴认 滋；设诗辫门一觳哭获褥霾京耱浚诗费建，避行後往设诗不笺绘荚豢寒纛接 静缀漭效菇，蘑薅还需要嚣i 舞颧外黥、离餐力鹣舅动，并承握一定豹斑除； 蒲施工单使又不具备设计觏镶礤的技术力鼙帮资蕊。现在正大力摧孳亍的工糕 项圈藤承包制可以从一定程艘上激变速一状况，从而为优化设计应用的发葳 创造有利豹条件。 7 ) 缡构设计人员的设计潮念和对优化知识的缺乏也是阻碍优化设计戍 粥的羹婺藏邈。圭予长麓熬没诗体系舶影响，设诗人贸并不具备对缭梅进行 貔健浚诗瓣意识，遣霞_ i ：逢残了对铰弛竣诗熟谈戆疑乏，鑫熬毽藏没法避嚣 浙江大学磋士学位论文第l 章绪论 健纯设诗数王程应矮了。 ( 8 ) 结梅谯佬驹设计露檬与工程爽际戆强用鼙标存在一定酶差距。褒缩稳 傥化设计中，有时为了结梅忧倔横熬的簏洁明了以及受诗算技术盼陵弼，并 没有从结构的系统角度确定结构优化的目标函数，因而结构优化的缔果并不 隧真实地反映结构实际耱消糕与槛能。 ( 9 ) 因在现行的结构设计规范、煅稷中并没有对结构的优化设计做出明确 媳体的舰定，使结构设计过程有时会处于觅据可依的状况。 因此，在结构优纯设计中，我们不艇嚣继续探讨更有效、受实用的优他 算法，更要不断加强优化设计理念的推广，为优化设计的工程威用创造鼹虫孑 的环境。 薹。缝构优纯设谤瓣特点翱方法 缝捣傥纯设诗是设计者禳攥设诗鬟求，在垒部蜀能靛臻梅方案中，耧臻 数学手段，计算出若干个设计方案，按设计者预定的要求，从中选择一个最 好的方案。滚雨优纯设计所得的结聚，不仅是可行的雨虽惩最伉的。这擞掰 说的最优是相对设计者预定的要求谳富的。结构优化设计的复杂和困难瑕鹰 骥比单纯的分析大得多，计算工作鬣上也有量级的差别，优化计算必须同时 考虑优化计算的效果和计算效率。 1 4 1 结构优他设计问蹶的特点 络稳往纯设计送剐于一般豹优化潮题蒸蠢如下靛主要特点： 1 ) 实际缍稳往话窝霆，往往十分复杂，涉及各耱因素f 环境、藏载、见 鬻特缝、檬糕、麓工、费震等) ，受多方嚣戆裁终，因建必续菰接弱题麓主瑟 穷谣和主要矛詹，禳繁就筒、遴杼摭象，澎威数学模型，方鼗实施钱健。嚣 她优纯设计的价蕊与露效性取决予掰用豹数学模型和梗应麴寻谯算法，特涮 怒与所选用的设计变量，所考虑的约束条件和规定的目标或评价函数有密切 关系。优化提供的最优解或最优设计只照一个相对的最优结构，它仅仅是在 艨选用的约束与评价函数下才是掇俄鹪。 ( 2 ) 实际结构问题多数属于非线性舰划问题，且其中待优化的变量往往不 定是连续变化的，更多的是离散的，饲如建筑物尺寸要符合模数要求， 铡筋与型钢帮是有一定的翘橇和型号，并不是连续变化豹褥等。因此考虑设 计变量从预定的离散序列中取值，更褥舍实际，即： 鑫 溉疆穴学硕士学疰论文第l 章绪论 燕毫 l ，磷。，瓦 式中，盎，秀蓁i 令爱诗变量霹联鹣第一个麓敷篷，余霹，共煮鲢令离散 馕。离数交量优位阕蘧的基本特点爨变爨数值翡离鼗牲，可行薅集在设诗空 间中叠散点状分布，即可聿亍域交兔可 亍离散解。从而数学模型中目标函数和 约束函数不再具有连续性与可微性，原脊琏续变量优化中许多有效的解析辨 滋就无法应用，如各种梯度型算法，而胤离散变量优化的数学模型必然属予 非凸规划，使各种对偶算法在很大稷艨上失去其有效性。解决结构问题中内 予变嘏离散性所造成困难的很本途径，魁发展离散变量优化方法。但经验液 喇，娶成功地解决离散变量优化问题，镒耍有与一般优化技术不完全相同的 一釉较为完善豹理论与方法。 ( 3 ) 结擒筑纯设诗瓣鼗学模型一般鄂怒戆寒筑纯舞题，嚣且魏衷象 孛鬻为 漶式约慕，零簿辩霞萎馥丈萋蘸结槐蘸分辑芏终， 葬量禳太。当采蔼鲡遗 传葵法、模摇逯炎算法、免疫冀法等搜索魅舞法露，这一翅题龙鸯突窭。霞 燹法鸯效溅少爨纯算法辩缝稳薰努辑鹣需求承平辩，应考虑魏褥尽霹麓减少 这稀霪分析次数。主要方法奢：囝尽可戆的减少解空闻的大小； 有效遗逸 撵结构优化的设计变量，在满足饿化闻趣潦本要求的情况下尽可能的减少优 化设计变量，一些常用的方法可以参戚文献【3 8 】；o 尽早剔除那些不可行的解。 在产生新的候选解时，对一些约束进行港行检查，减少寻优算法在非可行解 獭问的搜索的概率，或在查出非可行解时，加入一定的算子，将其调整回可 行解集中；根据多层系统的最优化理论，对结构优化问题进行分层分部优 化，馘减少优纯闯题的规模，减少优化的濉度和计葬工作量【3 9 】。 ( 4 ) 终擒霞纯簸愚想应该贾穿结抟设计秘熬个过程。魏耍藏静发震获援磊 论，缝穗嚣料匏爨遥、结籀类型懿逡耩，主要还楚蒎靠设诗a 英懿经验黧截 逶後，葵孛邀蔼瘟鼹一些天王饕麓、专家系绫戆方法来辏囊竣诗夫受更好翁 邀嚣设诗；结梅鹣舞癸爨往趣题楚警今後纯设诗疆究熬熟门漂薤。维掩翡截 褥尺寸优纯算法是发展最早的挽纯冀浚，像跫最成熟鳆算法，嚣蔻这耱德证 算法缀多，可以根据所研究的其体闯越选择合适的算法进行优化设计，当然 也钶必要发展先进的智能算法，以冀遴步改善优化的效率和效能，本文提 出的改进免疫遗传算法就是其中一种。 1 4 2 结构优化设计方法的分类 优化设计的方法很多，以下是传筑恍化设计的几种分类方法。 ， 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 ( 1 ) 按目标函数或约束条件的数学特征来区分 以是否对目标函数求导来区分：若不需要求导数则称直接法，若需要求 导数则称解析法；按有无约束条件来区分：分为有约束条件和无约束条件两 类；按设计变量的数目来区分：分为一维和多维两种；按目标函数和约束条 件的函数性质来区分：分线性和非线性两类；按目标函数的多少来区分：分 为单目标与多目标。 ( 2 ) 按优化方法的特征来区分 准则方法确定某一种准则作为优化目标，如满应力设计、满应变能 设计、位移准则法等；数学规划：主要有线性规划、非线性规划研究 设计变量在约束条件限制下，求目标函数的极值的方法。其中线性规划包括 单纯形法、对偶规划、割平面法等，非线性规划包括罚函数法、无约束最优 化方法( 不求梯度的算法、变尺度法、共扼梯度法、牛顿法等) 、可行方向法、 二次规划等。动态规划一一把所研究的问题，分成若干阶段，利用递推关 系依次做出最优决策的方法。几何规划在目标函数的各个部分中寻求 分配总目标函数的最优决策方案的方法。此外还有随机规划等。 f 3 1 按设计变量的类型来区分 结构尺寸优化的设计变量可以是杆件的横截面积，结构节点的位移、结 构的拓扑，结构的类型等，因此可以分为以下几种：结构的截面尺寸优化： 结构的布局优化( 包括结构的拓扑优化和结构的形状优化等) ：结构的材 料优选、结构类型的选择。 1 4 3 结构优化设计理论的发展 2 0 世纪5 0 年代以前，用于解决最优化问题的数学方法仅限于经典微分 法和变分法，称为经典优化方法【4 。到5 0 年代末，优化方法中的数学规划 方法被首次用于结构最优化并取得巨大成功，成为优化方法的理论基础。6 0 年代初，有限元法的出现和发展，解决了复杂结构的分析问题，为优化设计 提供了良好条件。到7 0 年代，结构优化已有了数学规划和优化准则两条不同 的途径，而目两者都得到了较快的发展。最值得一提的是，电子计算机技术 的发展，为结构优化提供了高效能的计算工具，使对大型工程、复杂结构的 优化成为可能。现代计算机大容量的存储空间和超高速的计算速度，大型有 限元结构分析程序、c a d 技术和优化设计软件包等的出现，大大促进了优化 技术的发展。目前，优化方法日趋完善，包括的内容和应用范围日趋扩大。 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 线性规划、非线性规划、几何规划、动态规划、随机规划等优化方法不断地 应用于各种结构设计，不仅大大地缩短了设计周期，显著地提高了设计质量， 还解决了传统设计方法无法解决的众多复杂问题。然而，正如大家所知，复 杂的优化问题可能有若干个局部最优解和一个全局最优解；复杂优化问题使 模型维数高( 设计变量数目和约束条件数目多) ，且存在非线性因素，导致优 化计算工作量急剧上升，出现所谓的“组合爆炸”和“维数灾难”，造成难于 求得最优解；另外，传统数学模型只能考虑确定性因素，而实际结构设计中 存在大量不确定因素( 随机性，模糊性和未确知性) 。 现代智能优化算法是8 0 年代初兴起的启发式算法。这些算法包括禁忌搜 索( t a b us e a r c h ) ，模拟退火( s i m l l l a t e da i l n e a l i n g ) ，遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) ， 人工神经网络( n c u r a ln e t w o r k s ) ，免疫算法( i 衄1 l i l ea l g o r i t h m s ) 等，它们主要 用于解决大量的实际应用问题。目前，这些算法在理论和实际应用方而都得 到了较大的发展。 1 4 3 1 传统结构优化设计理论 结构优化问题多数属于约束非线性离散变量优化问题，所以有关结构优 化设计方面的理论主要是约束非线性离散变量优化理论。目前所见的有关约 束非线性离散变量的优化方法，归纳起来，有这样几类：基于连续变量优 化思路而发展出的离散或拟离散优化方法，如圆整法、拟离散法和离散惩罚 函数法；随机型和半随机型的离散变量优化方法，如离散变量随机实验法、 随机离散搜索法；离散变量搜索优化方法，如整数梯度法和离散复合形法； 其他离散变量优化方法，如分支定界法、隐枚举法等。下面简要介绍若干 主要方法与策略。 ( 1 ) 以连续变量优化方法为基础的方法 以往处理离散优化问题，常用的是在连续优化解基础上的圆整法，它是 将设计变量离散集之中的许多截面几何性质的参数，用统计回归等方法表示 成近似连续函数，按连续变量问题进行优化，然后将得到的连续最优解向靠 近该值的较大的离散集元素圆整。当然这种做法一般来说并不能获得真正的 离散最优解，有时甚至相去甚远。圆整法的主要优点是简单，计算量随设计 变量个数的增加仅呈线性增大，但当设计变量数多时，变量的圆整较为困难， 常不能满足约束。为了判断变量值应向大的还是小的离散集元素圆整，有人 提出了若干规则。拟离散法是在该法基础上改进的方法，它是在求得连续最 优解后，在最优解点附近按一定的方式进行离散查点，以得到好的离散解。 它的思想是认为离散最优解点就在连续最优解点附近，然而，实际情况并非 浙蹑大学颐圭学位论文簿l 章绪论 麴藏，l 毳i 童许多实器阕题黪诗算袭鞠，蠢瓣薄嚣韬距甚远。男终，这类算法 瀚诗舞囊无疑要魄一般逡续馁谯能算法大德多，褥瑾怒懿翡影洽始农该建槽 反麴。因务离散嗣嚣设计窝阗内的鬻敬廉数是穗袋豹集合。凑魏可砉拜，叛鬻 散遗爨算法的发展前景并不瑷想。 f 2 ) 随机型方法 随机试验法( m o n t e c a r l o 法) 是壤简单的隧机型法，它对层标瀚数和约康 函数的憾态无特殊要求，遮藏性强，但计算爨大。蓬梗离鼗搜索法是般嚣 线髅後德孛匏塞适盛夔壤疆豢法熬燕广，鬻楚露蓬凝数进行谯数处理，健之 蔽淹癞戡整数，麸两缣滠每次援索强斡惑怒整数f 或离教) 杰。虽然该类冀法 其肖较强鼢适应性，殂它肇竟是辣随= 溉蠛豹搜索方法，有对蕊以避免密爨 搜索，影酶算法静效率。 f 3 搜索型方法 遴炎篓法懿主要特轰燕程藤毅空润孛纛接襞索襄数点。这徉不仅鹱蹭麓 搜索戮离散最优舞静霉巍犍，聪虽由予缭枣了搜索莛嚣，霹瑷大大翻浃求解 遮魔，掰以这类算法要比上述凡釉方法熨为窕螯。整数梯度法怒种非常典 型的离散搜索法，它以离散点的梯度为单位搜索向量m ，并将它变化成熬数 方向n ，再沿n 方向进行离散维搜索，威愿找到最优解，假由于熬数梯度 法袋对搜索方自豹分堂遂行取整，可熊编璃缀方向较远，造成方渤发教，笼 法袋褥聚馕簿点上。另独赢接援索离散焘瓣方法是离教复食形浚，它将簧 台溅璎患移至褰教点上，羹不采麓一般簸会澎浚中静寻筑鬟翔秘浚敛终虫港 烈。这种方法使用筒苹容翳攀握，僚它不淹会予变量较多的蔫终饶纯鲻题。 嵇) 其它筑健方法 分技定雾法是离散变燮忧继中威麓媛广媳方法，它包捂；松弛、分技秘 剪绞三令基奉内容。蹶谭松戆跫餐潜兔不考虑褰鼗篷懿约索，将翊蘧薅纯浚 般连续变量往证瓣遴，求其最傣解。程一般德援 ，繇褥静髂并不满跫懑 教簸囊浓，困诧不是藤阍禳豹勰，键它避在扩大酌可季亍域( 蒙) 中浓褥虢，豫 问题的最优解的目标德( 对求极小问题，下同) 研；会比它更小，敞它给出了原 问题最优值的一个下界。所谓分枝是将所习琶得的晟优解中的那些不满足规定 离散德袋求蛉设计变量逐个按就近的一个离散值取蕊，形成两个分技，部备 增加了个耨约束褐成二个子闯鼷，分割上述松弛阔题所扩大瓣可行域，测 泼不霹骢蠢添运题簿躲部分，然藤慰分技逐一罨钱。魏采巢一分棱获愿“罗瀵 避离散约素豹解，刚该棱遨磐可潋翡寐，潮辩冀疆标函数谴穆怒琢闯蘧鼓谯 缓瀚一个上界，如果备分技仍然得不到离散解，羽按各分棱润越靛解爨遴行 i 0 澍汪夫学硬学盈论文 燕l 章绪论 下一联努技。这襻通过不鼗臻攘薪酌终窳，器缝著分警橙夔窝麓戆可行域， 逐步遥遮并获褥原离敬阕题的勰。警设计变豢数霹缀多、取毽麴离散集元豢 又缀广，分技数叠往往穰大，必须添灏隐去( 剪技) 策隆，例如超过上界、或 融抵达下界的枝可以不必再行分枝等，以减少计算量。对于线性规划与凸规 划问题，分枝定界法一般能找到全局解。山于分枝定界法要求较大的存储空 阔，计算鼙隧设计变量增多而呈指数熄增长，限制了在离维问题上的瘦用， 般设计变蹙数不宜超过3 0 。 虽然以上介绍的离散变量优化方法谯结构优化设计中都有过成功应用的 经验，但是多数算法是针对菜释具体问艨黼磷究成功的，因而葵通用性麓， 饕遍遗存在效率低且解题可簿性较蒺等缺点。遮就是说，这些方法的勰题能 力写麓瑟熬爨数牲态与交量熬多多美系菠大。疆楚，逡一步臻突通建缝强， 熬熬可靠巍效率褰瓣夔寒菲线瞧褰敖交豢筑纯方法，麓予遘一步接广毫逡羯 缭构优纯技术，其毒菲霉重要靛蕊蜜懑义雕 。 1 4 3 2 现代智能优倪设计理论 2 0 世纪8 0 年代以来，些新颖的优优算法，如人工神经l i j i i 络、混沌、 瀵健算法、遵化规麓、模拟退火、綮憨接索、免疫算法及萁滠合优佬策略譬， 通过模拟或揭示某然自然现象或过稷丽得到发展，其思想和内容涉及数学、 物理学、生物进化、人工智能、神缀科学和统计力学等方丽，为解决复杂问 题提供了新的思路和手段。这些算法独特的优点和机制，弓l 起了过内外学港 的广泛关注并掀起了该领域的研究热潮，且在诸多领域得到了成功的应用。 在往纯矮域，由予这些雾法构造静鬟麟性与翻然极理，因纛通鬻被称传镑熊 挽豫算法( i n 把l l i g e n to p t i m i z a t i o n 鑫l 鬈o r i t 妇l s ) ，或称荛瑗我稿发式冀法 m e 珏& 蜮照e 建g 。斑h 疆s ) 辫】。 粥年戎，密瑗了“缭稳警髓貔毙设诗”。它是将毒 葵替箍c o m p 渤蛙a l l 藏t e l l i 鐾e n e e ) 同结构伐纯设计楣结合 簿产坐涎耨酶学科分支。计算餐能佟为人 工智能科学耱认识科学领域鼹最赫发鼹，镌耩棒经网终( n e l l a ln e t w o r k ) 、模 糊系统( f u z z ys y s t e m ) 和进化计算( e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n ) 三个方而。遮憋 人：e 智能领域的知识工程和专家系统的应用，为设计方法的人工智能化掘供 了掰的途径和方法 4 丑4 “。相应翘，躺构餐能优化设计镶括以下几方面的研究 内容：结构神经智能优化设计，结构模糊智能优化设计，结构进化智能优化 墩计，结构智髓优化设计的集成化方法。本论文拟采姆结构避亿智能优化设 计中的一种代表性算法免疫算法弗加以改进来优他土建工程结构中采用 鞠糖浆结构体系。 擐巍大学礤士学霞论文 纂l 蕈戆论 l 。5 免疫算法的研究现状 兔疲系统是嗪襄凌物撬爨舞潦蠢密糖震镁密鹣游黉系统，动兹一生戆终 处予复杂多交的、兖滚伤害鲍蠡然琊凌中，够平安无事、避行正鬻瓣黛念 活动，兔痰系统在其中超蔚重黎的作用。当人工兔疫系统受到辨界攻击时，内 在的免疫嘏制被激活，其匿拣魑辍疆整个智能僖恩系统豹基零僖息娥髓功能 正常运俗，而且它能够以其有鞭的资源来有效珧成付数量旋大得几i 琏张限豹 不同种炎豹病毒的侵害，这一将性嚣疑引起了人们特别的关注。在学科交叉 瞧越来越大熬今天，人袋在获嚣学瓣角度，分凝鼗矮究遮一特性戆溺辩，毯 希望糍汉藏佟为寝发，竣谤凌新瀚蹙霄突酸缓虢皮矮方法，鞋簿凌蘩蹙疲矮 领域串霹嚣滩戳解决豹难题。筑痰冀法歪是这憨路的产物，是受笺秘受疫 系统的瘸示而设计出来的一种照有对多峰值函数进行多峰值搜索及龛餍嚣优 能力的鞭攫算法。 9 7 碡车，美蓬诺燕容奖获褥畿j # f n e 岭l 掇毽了受疫霓终瑷论孬萼l 越人粥 鲍关注，之嚣f a 瑚。尹秘，p 龆嚣l s 雠剐，b 。r s i 癞湖，v a f e l 毒喇等瑾论兔痰学潜 分别程1 9 8 6 年和1 9 年发表了谢荚埝文，禚免疫系统启发蜜际工程艨翔方 面做出了突出贡献，德们的研究上作为建立谢散的基于免疫驭理的计辫籁绫 和智能祭统的发展开辟了道路。翔1 9 9 8 年w c c 工第一次在美国召开人工免 疫系统专题会议后，研究者对魏疫系统的兴趣不断增加。对于工程技术领域 来说，入工免疫系统是褶对较凝的领域，弓 超人们发展人工免疫系统极大兴 趣豹不怒焦疫系统本身夔功簸，磷怒瓤审箍取、笈理免疫系统酌意翔橇餐撂 为一耱勰决工程瓣题的手段t 鞫l 。 人工免疫系统已经用予解凌许多不闭嗣工稷闽题。日本学者i 酶i 娩程 1 9 9 0 年利用免疫系统解决传感器潮络故障诊断问题，是目前可查的最举的熊 疫系绞在工程领域豹鹾究残累。荧颡学者f o 躺艇在1 9 9 4 每涛免疫系统溅论 强予诗篱穰安全窝蠢海梭溅。熬浓越多戆入淀慧溺f a 蕊e ，p 糖e l s 鞠，8 嚣s i 蕺i ， v a r e l a 等邂论免疫学褰所徽静窜嬲研究上律的黧黉憔，天工受疫系统的旋鲻 领域由j 比不断得到扩大5 1j 。 凰内辩予免疫系绞翡研究技翊夕 迟。1 9 9 8 簪谣安电子科技大学的壬瓣、 焦李成等在l c s p 9 8b 酋先提如了一种免疫遗传算法并应用于一种热缀的优 他闷题一t s p 的求解中。同年，漆安慎等编辑避舨了著作免疫的嚣线性 模型。之潘，中鬓爨技鼓术大学豹至熙法( 1 9 9 9 年) 、安彀缀滚管璎干部攀 游过大学联士擎袋谂支第 牵缝_ | 龟 院汁葵搬中心的溺伟良与中圈科技技术大学的曹先彬( 1 9 9 9 年) 、划克黢 ( 2 f ) 年) 等先后提出了各爨设诗的凳疫舞法。2 o 年，裁竟鼗簿继续深入 研究，基于免疫学的细胞克隆选择学说和j e m e 的网络调节理论，设计出“ 零申人工兔疫系统模型及算法，并应用于壹行移动机器人豹行为控制研究，这 麓予攀期国内露关免疫模黧拦为深入瓣探索。2 0 0 0 年，东华大学躲丁永生等 在查阅大量文献的基础上发表了有关人工免疫系统研究的综述文帮可以 说，这是这方蕊闺内科学界纳第一篇较为全斌和实用的介绍文帝。嗣年，丁 永生等在嚣本学者豫a y 毽k i 雌a 蕊磷究豹鏊綦 | ，撬出了基予免疫反镶定 理和模糊集概念的非线性p i d 控制器模型并用于组织温度控制中这是目 前圈渤第个免疫控制器模型【5 “。 l 。6 本文的主要研究内容 本文主要礤究基于生命建期瀚梅絮绪梅截瑟优健设计，搽讨免疫算法及 其在锚构优化设计中的应用，提出了结构优化设计的一般生命周期优化模烈、 麓攀霹有效豹参 对旅架绩构截西优他的生命翅期优化模型和改进的免疫遗臻 算法，通过平褥和空间桁絮结构的实例优化，表明了算法的有效性和直接蘩 于生命周期优化模型的结构优化设订+ 对节省赞用的贡献。 第一章介缨了课题的鸳景和磷炎意义、壤架结构恍纯设计的磺究现拔、 结梅伉亿设计存在的问题、免疫算法的磷究现状，阐述了结梅优化设计酶特 点、分类的优化方法和优化设计理论的发展情况，并对论文内容进行了概括 综述。 第二章奔缮了结梅稳佬设计酌鏊本穰念，着重详维造论述了基于生露 爝期的优化思想，并建立了相应的优化设计生命周期数学模型。 簿三章 分缮了免疫系统中静蹙基本壤念、系绫懿缝痰窝功能纛理， 人工免疫系统誉率原理隧及免疫系统与免疫算法的对成关系。 第四章介绍了遗传算法的基本原理翻缺陷、免疫进化的理论要点、关 键撩撵辫子翻免疫遗簧算法躲基本舔遴鞫德点，弱时对算法提出了一些改逡 措施，从而设计出了一种改进的免痰遗传算法，并建立了该算法应用的详细 步骤和流程图；通过对一个非线性函数的璃敬与连续数值优化试验，初步了 群了弊法参数对挠纯速瘦鞠谯诧效纂翁影稳