基于蚁群算法的输电塔结构离散变量优化设计

摘要

输电塔-线体系作为高负荷电能的输送载体，是一种重要的生命线工程。随着人民生活水平的不断提高和国家经济建设的快速发展，建设高耸、大跨越的输电塔-线结构已成为必然趋势，特别是特高压输电线路工程。建设和发展既安全可靠，又经济合理的输电塔结构一直是工程界的研究热点和难点。鉴于现阶段国内外输电塔结构优化设计方法和理论发展的相对滞后，本文在蚁群优化算法和有限分析方法的基础上，提出了一套完整的输电塔结构优化设计与验算分析方法。主要研究内容如下:
　　(1)针对于桁架结构拓扑和形状优化设计存在着设计变量类型不统一，耦合优化困难等问题，本文给出了一种基于蚁群算法的桁架结构多类型变量优化方法。其中，拓扑优化以结构拓扑量和拓扑总量为基础，将拓扑优化问题转化为双TSP问题，并采用蚁群算法实现求解;形状优化则是采用加权耦合的两级优化方式求解此类问题，并且充分发挥了不同类型蚁群算法各自的优势。
　　(2)由于多类型变量优化方法在处理大型复杂结构和布局优化问题时的计算效率过低，本文提出了一种基于蚁群算法的桁架结构离散型变量优化方法，包括:截面、拓扑、形状和布局优化方法。通过对多个经典算例的分析与对比表明:本文方法的优化效果显著、简单易行，并且具有非常良好的应用前景。
　　(3)基于蚁群算法在单目标优化问题中的成功应用，本文提出了一种改进的基于离散变量的多目标蚁群优化算法。该方法是在Pareto蚁群算法的基础上，建立“可行解”和“非可行解”集合，并通过替换优化过程中的重复解来提高算法的计算效率。该方法不仅可以求解双目标函数问题，而且能够很好的求解桁架结构多目标优化问题。
　　(4)考虑到输电塔结构的特殊性和复杂性，以及优化方法一致性的要求，本文归纳总结出了一种“基于蚁群算法的输电塔结构离散变量优化设计方法”，并且清晰明确的阐述了不同优化内容的物理意义和优化准则。通过对输电塔结构局部和整体多层次优化设计结果的分析表明:该方法是一种行之有效，且简单实用的结构优化设计方法。
　　(5)鉴于输电塔结构真型试验价格昂贵、费时费力，以及有限元方法的蓬勃发展，本文采用输电塔-线体系连续倒塌模拟方法验算优化设计结果的安全性与可靠性。其中，验算方法基于ABAQUS软件平台，并通过采用显式有限元方法和生死单元技术模拟输电塔-线体系连续性倒塌的全过程。此外，针对不同输电塔模型的倒塌情况，本文还进一步探讨了输电塔结构的薄弱环节、倒塌形式和抗倒塌的能力。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 问题提出与研究意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 输电塔结构简介

1．2．2 结构优化设计方法

1．2．3 输电塔结构优化设计方法

1．2．4 输电塔结构优化设计分析

1．2．5 输电塔结构连续性倒塌模拟方法

1．3 本文主要研究思路与内容

1．3．1 存在的问题

1．3．2 本文的主要研究内容

2 桁架结构多类型变量优化方法

2．1 引言

2．2 蚁群优化算法

2．2．1 蚁群算法

2．2．2 旅行商问题

2．2．3 基本蚁群算法

2．2．4 连续蚁群算法

2．3 基于离散变量的桁架结构截面优化方法

2．3．1 桁架结构优化方法选择

2．3．2 桁架结构截面优化模型

2．3．3 桁架结构截面优化方法

2．4 基于离散和逻辑变量的桁架结构拓扑优化方法

2．4．1 桁架结构拓扑优化模型

2．4．2 桁架结构拓扑优化方法

2．4．3 桁架结构拓扑优化算例

2．4．4 输电塔塔腿拓扑优化算例

2．5 基于离散和连续变量的桁架结构形状优化方法

2．5．1 桁架结构形状优化模型

2．5．2 桁架结构形状优化方法

2．5．3 平面桁架结构形状优化算例

2．5．4 空间桁架结构形状优化算例

2．6 本章小结

3 桁架结构离散型变量优化方法

3．1 引言

3．2 桁架结构截面离散变量优化方法

3．2．1 结构截面优化方法

3．2．2 蚁群算法控制参数

3．2．3 平面桁架结构截面优化算例

3．2．4 空间塔架结构截面优化算例

3．3 桁架结构拓扑离散变量优化方法

3．3．1 结构拓扑优化方法

3．3．2 平面桁架结构拓扑优化算例

3．3．3 空间塔架结构拓扑优化算例

3．4 桁架结构形状离散变量优化方法

3．4．1 结构形状优化方法

3．4．2 平面桁架结构形状优化算例

3．4．3 空间塔架结构形状优化箅例

3．5 桁架结构布局离散变量优化方法

3．5．1 结构布局优化模型

3．5．2 结构布局优化方法

3．5．3 平面桁架结构布局优化算例

3．5．4 空间塔架结构布局优化算例

3．6 本章小结

4 桁架结构多目标蚁群优化方法

4．1 引言

4．2 多目标蚁群算法

4．2．1 P-ACO算法

4．2．2 P-ACO算法存在的问题

4．3 改进的P-ACO算法

4．3．1 改进多的目标蚁群算法思路

4．3．2 改进的多目标蚁群算法流程

4．3．3 改进的多目标算法性能评价指标

4．4 多目标函数优化算例

4．4．1 BNH问题

4．4．2 DBE问题

4．4．2 TNK问题

4．5 桁架结构多目标优化算例

4．5．1 桁架结构多目标蚁群优化方法

4．5．2 平面桁架结构多目标优化算例

4．6 空间塔架结构多目标优化算例

4．6．1 空间塔架结构优化设计模型

4．6．2 空间塔架优化设计结果分析

4．7 本章小结

5 输电塔结构离散变量优化设计方法

5．1 引言

5．2 输电塔结构优化设计方法

5．2．1 输电塔结构优化设计模型

5．2．2 输电塔结构优化设计思路

5．2．3 输电塔结构优化设计方法

5．3 输电塔结构局部优化设计

5．3．1 算例介绍

5．3．2 输电塔局部截面优化设计

5．3．3 输电塔局部拓扑优化设计

5．3．4 输电塔局部开头优化设计

5．3．5 输电塔局部布局优化设计

5．3．6 输电塔局部优化设计结果分析

5．4 输电塔结构整体优化设计

5．4．1 输电塔整塔优化设计模型

5．4．2 输电塔整塔截面优化设计

5．4．3 输电塔整塔拓扑优化设计

5．4．4 输电塔整塔形状优化设计

5．4．5 输电塔整塔布局优化设计

5．4．6 输电塔整塔优化设计结果分析

5．5 本章小结

6 输电塔结构优化设计结果验算

6．1 引言

6．2 输电塔-线体系倒塌模拟方法

6．2．1 结构倒塌模拟软件

6．2．2 输电塔结构生死单元法

6．2．3 输电塔结构的动力方程

6．3 输电塔-线体系风荷载模拟方法

6．3．1 风速的表达

6．3．2 谐波叠加法

6．3．3 脉动风的互功率谱

6．4 输电塔-线体系倒塌模拟与分析

6．4．1 输电塔-线体系模型

6．4．2 输电塔-线体系风载模拟

6．4．3 输电塔-线体系倒塌模拟

6．4．4 输电塔结构单塔数值模拟

6．5 输电塔结构局部优化设计结果验算与分析

6．5．1 输电塔局部截面优化设计验算

6．5．2 输电塔局部拓扑优化设计验算

6．5．3 输电塔局部形状优化设计验算

6．5．4 输电塔局部布局优化设计验算

6．5．5 输电塔局部优化设计验算结果分析

6．6 输电塔结构整塔优化设计结果验算与分析

6．6．1 输电塔整塔截面优化设计验算

6．6．2 输电塔整塔拓扑优化设计验算

6．6．3 输电塔整塔形状优化设计验算

6．6．4 输电塔整塔布局优化设计验算

6．6．5 输电塔整塔优化设计验算结果分析

6．7 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论与创新点

7．1．1 桁架结构多类型变量优化方法

7．1．2 桁架结构离散类变量优化方法

7．1．3 桁架结构多目标蚁群优化方法

7．1．4 输电塔结构优化设计方法与验算

7．2 创新点摘要

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

参与科研项目

致谢

作者简介