基于改进粒子群优化算法的重力坝断面设计研究

摘要

混凝土重力坝因其众多优点被广泛应用。但同时也有诸多不利因素，如坝体剖面尺寸大、材料用量多，坝体应力较低、坝体材料强度不能充分发挥。本文针对上述问题进行了深入细致的研究，提出采用改进的粒子群优化算法对混凝土重力坝非溢坝流断面进行优化设计。该方法对于其他的工程结构的优化设计研究具有一定的理论意义和参考价值。
　　本文分析了粒子群优化算法和混凝土重力坝优化设计相关方面的研究现状及存在的问题。通过深入了解混凝土重力坝的几何特征和工程结构优化设计的基本原理，建立了混凝土重力坝非溢流坝断面优化设计数学模型。同时在深入研究粒子群优化算法的基础上，针对重力坝的优化设计对基本粒子群算法进行了改进，通过改进惯性权重值w和学习因子的c1、c2动态变化策略，极大地改善了粒子群优化算法的收敛性能。通过认真深入分析重力坝优化设计的特性和粒子群优化算法的特点，提出了对数罚函数法来处理该约束条件，较好地解决了约束处理这一难题。另外，基于模块化程序设计思想运用MATLAB编写了基于粒子群优化算法的重力坝优化设计计算程序。最后，利用该优化计算程序对某水利枢纽工程的混凝土重力坝进行了优化设计计算，并对优化计算结果作了系统的对比分析。结果表明：提出的改进的粒子群优化算法能够解决非线性程度较高、约束条件比较复杂的全局极值问题，且比遗传算法的优化计算结果节省时间12.2％，比标准粒子群算法的优化计算结果节省时间9.45%，可见改进的粒子群优化算法比传统的智能优化法的收敛速度较快；优化计算后的上游坝坡折坡点的高程降低，大坝设计断面的上、下游坝坡率以及坝底宽度与坝高的比值均达到了临界值，坝体断面面积大幅减小，与初始设计方案相比大坝断面面积减小18.12%，节省了大量混凝土方量，在满足安全使用的前提下造价更低、更经济，在大型水利工程结构优化中具有广阔的应用前景。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.3 主要研究内容

2 基本理论

2.1 优化问题与最优化方法

2.2 群体智能

2.3 群体智能算法

2.4 粒子群优化算法研究概况

2.5 约束条件处理

2.6 多样性控制

2.7 动力优化方法

3 约束条件的处理方法

3.1 约束优化问题的提出

3.2 罚函数法

3.3 针对粒子群算法的改进的对数罚函数法

4 粒子群优化算法的改进方法

4.1 基本粒子群优化算法

4.2 基于惯性权重的粒子群优化算法改进方法

4.3 基于学习因子的改进方法

5 重力坝非溢流坝断面优化设计的程序设计

5.1 程序编制原则

5.2 程序结构的总体设计

5.3程序各部分功能设计

5.4小结

6重力坝断面优化设计及其应用计算分析

6.1 重力坝断面优化设计概述

6.2 重力坝断面优化设计数学模型建立

6.3 结构分析方法

6.4重力坝断面优化设计应用计算及分析

6.5 小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录