改进人工鱼群算法及在桁架结构优化中的应用研究

摘要

2015年是我国国民经济和社会发展第十二个五年规划的实施和发展时期,是全面建设小康社会的关键时期,是深化改革开放、加快转变经济发展方式的攻坚时期,与此同时也是实现建筑行业大发展大繁荣的时期。桁架结构承载能力大、自重轻、相互协调性好、抗震能力强,可以承受来自多个方向的荷载,同时具有施工简单、拆装方便、造价低、运输便利等优点,因此被广泛的应用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。由此而产生的桁架结构优化问题在工程设计领域越来越受到人们的关注。
　　 近年来,随着计算机技术的发展,仿生型优化算法在工程结构优化设计领域开始兴起,为解决结构优化问题提供了新的思路和手段。人工鱼群算法(Artificial fish swarm algorithm,the AFSA)是一种新的智能优化算法,是李晓磊等于2002年在深入研究动物自治体模式的基础上提出的,通过鱼群中各人工鱼个体的觅食、聚群和追尾行为进行局部寻优,经过不断迭代找到问题的最优解。该算法具有良好的全局寻优能力,并对初始条件和参数设置不敏感、易于与其它算法相结合、鲁棒性强、操作简单、容易实现等优点。本文尝试将人工鱼群算法用于桁架结构优化中,以期提供一种新的优化方法。针对基本人工鱼群算法后期收敛速度慢、寻优精度不高的缺陷以及桁架结构的特点对基本人工鱼群算法进行了改进。在算法初期利用混沌运动遍历性、随机性等特点初始化解群,提高求解效率和解的质量;在算法运行后期利用粒子群优化算法惯性权重调整策略的思想动态的调整人工鱼的步长,提高寻优的速度和精度。将处理约束条件的分离比较法引入改进鱼群算法的寻优中,尝试将改进后的算法应用到桁架结构连续变量尺寸优化中。对人工鱼群算法的距离、邻域、中心位置等概念进行改进,并尝试将改进后的算法应用于桁架离散变量的尺寸优化中,以桁架截面尺寸为设计变量,结构重量最小为目标函数建立优化设计模型,并将优化结果与其它算法优化结果进行对比。结果表明,该算法具有可行性和有效性,同时为结构优化设计提供了一种新的思路及方法。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景及意义

1．2 结构优化设计概述

1．2．1 结构优化设计的内容

1．2．2 结构优化设计的特点

1．2．3 结构优化设计的方法

1．3 桁架结构优化的研究现状

1．4 本文主要工作

1．5 本章小结

第2章 人工鱼群算法

2．1 人工鱼群算法原理

2．1．1 人工鱼行为描述

2．1．2 人工鱼行为选择

2．1．3 人工鱼群算法收敛性分析

2．1．4 人工鱼群算法的特点

2．2 人工鱼群算法应用步骤及流程图

2．3 人工鱼群算法的研究现状

2．3．1 算法本身改进的研究

2．3．2 算法应用方面的研究

2．4 小结

第3章 人工鱼群算法的改进

3．1 人工鱼群算法的改进方法

3．1．1 Logistic混沌系统

3．1．2 混沌初始化鱼群的思想

3．2 改进人工鱼群算法

3．2．1 固定视野和步长人工鱼算法存在的缺陷

3．2．2 人工鱼群早熟收敛程度评价

3．2．3自适应调整策略

3．3 改进人工鱼群算法的寻优步骤

3．4 仿真测试

3．4．1 测试函数介绍

3．4．2 测试环境的选取和算法参数的设置

3．4．3 仿真结果分析

3．5 小结

第4章 改进人工鱼群算法在桁架结构连续变量优化中的应用

4．1 结构优化设计的数学模型

4．1．1 目标函数

4．1．2 设计变量

4．1．3 约束条件

4．1．4 约束条件的处理

4．2 改进鱼群算法在桁架结构优化程序中的实现

4．2．1 桁架结构截面优化的数学模型

4．2．2 桁架结构截面优化的目标函数

4．2．3 桁架结构截面优化的约束条件

4．2．4 目标函数和约束条件的处理

4．2．5 改进鱼群算法求解桁架优化的步骤

4．3 桁架结构优化实例

4．3．1 十杆平面桁架结构截面优化设计

4．3．2 二十五杆空间桁架结构截面优化设计

4．3．3 七十二杆空间桁架结构截面优化设计

4．4 小结

第5章 改进人工鱼群算法在桁架结构离散变量优化中的应用

5．1 离散变量的特点及优化方法

5．1．1 离散变量的特点

5．1．2 离散变量的优化方法

5．2 改进鱼群算法在桁架离散变量优化中的实现

5．2．1 鱼群算法相关定义

5．2．2 桁架结构优化设计模型

5．2．3 离散变量的编码与解码

5．2．4 改进鱼群算法的具体应用步骤

5．3 优化算法实例

5．3．1 十杆平面桁架

5．3．2 五十二杆平面桁架

5．4 小结

结论与展望

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间发表的学术论文