Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертационная работа:

Клюев Сергей Васильевич. Оптимальное проектирование конструкций башенного типа : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01 Белгород, 2006 153 с. РГБ ОД, 61:07-5/1546

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Стр.
Введение 5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 10

1.1. Общий подход к оптимальному проектированию

строительных конструкций 11

1.2. Иерархический принцип формирования строительных

конструкций 16

  1. Многокритериальность в оптимальном проектировании 20

  2. Тенденции в оптимизации строительных конструкций 22

  3. Краткий обзор работ по оптимизации конструкций

в классической постановке 23

  1. Расширенные постановки задач оптимизации конструкций 28

  2. Оптимизация стержневых систем 31

  1. Стержневые пространственные конструкции 32

  2. Математическое моделирование стержневой пространственной системы 34

  3. Основные виды оптимизации стержневых конструкций.. 37

1.8. Требования, предъявляемые к оптимальному проектированию

стержневых пространственных конструкций 37

1.8.1 Ограничения на напряжения 38

  1. Ограничения на перемещения 39

  2. Ограничение по условию совместности деформаций 39

  3. Конструктивные ограничения 39

  4. Эстетические ограничения 40

1.9. Выбор материала для проектируемой конструкции 40

Выводы 41

2. КОНСТРУКЦИИ БАШЕННОГО ТИПА 42

  1. Общие сведения 42

  2. Область применения конструкций башенного типа 43

  3. Нагрузки, действующие на конструкцию башни 44

2.4. Конструктивные схемы башен 45

  1. Конфигурация башни 46

  2. Схемы решеток 47

2.5. Конструктивное оформление башен 51

  1. Типы сечений элементов башни 51

  2. Соединения поясов 53

  3. Узлы сопряжения поясов с решеткой 54

  4. Опорные узлы башен 55

Выводы 56

3. ПРОЕКтаЫЕ РАЧЕТЫ НА ОСНОВЕ ОБОБЩЕННЫХ
ВАРИАЦИОННЫХ ПРИНЦИПОВ 57

  1. Вариационные принципы для прямых задач 58

  2. Вариационные принципы для проектных задач.

Проектные критерии 61

  1. Проектная задача для стержневой системы 66

  2. Пример проектирования многостержневой пространственной фермы 71

  1. Расчет внутренне статически неопределимой пространственной фермы 71

  2. Проектная задача 76

Выводы 81

4. ОПТИМИЗАЦИЯ СТАТИЧЕСКИ НАГРУЖЕННЫХ БАШЕН

НА ОСНОВЕ ЭВОЛЮЦИОННОЙ СТРАТЕГИИ. 82

4.1. Основные формы эволюционной стратегии 83

  1. Двучленная эволюционная стратегия 83

  2. Основные формы многочленных эволюционных стратегий 86

4.2. Совершенствование форм эволюционной стратегии 90

  1. Саморегулирующаяся шаговая адаптация 90

  2. Эволюционные стратегии с переменной длительностью существования 92

  1. Модификации с учетом требований дискретности 94

  2. Выбор стратегических форм 96

  3. Связь оптимизации конструкции и эволюционной стратегии 97

  1. Целевая функция 97

  2. Ограничения 98

  3. Переменные проекта 102

  4. Начальная популяция 103

  5. Критерии сходимости 104

4.6. Пример 106

  1. Описание задачи 106

  2. Решение с использованием эволюционных стратегий 109

  3. Сравнение результатов по различным стратегическим формам 113

Выводы 113

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИ НАГРУЖЕННЫХ
КОНСТРУКЦИЙ 114

  1. Аналитический обзор 114

  2. Решение нелинейных задач, связанных с колебаниями 117

  1. Общие соображения 117

  2. Метод Ньюмарка 118

  1. Линейное уравнение движения 119

  2. Нелинейные уравнения движения 120

  1. Ускорение сходимости 121

  2. Нахождение внутренних усилий и напряжений 121

  3. Управление итеративным решением 122

5.3. Пример 124

Выводы 129

Заключение 130

Список литературы 133

Приложения 148

Введение к работе:

Актуальность темы исследования. В настоящее время теория оптимального проектирования является одним из актуальных и развивающихся разделов в механике деформируемого твердого тела, на которой базируются проектные расчеты строительных конструкций. Число публикаций в этой области постоянно увеличивается. Становятся все более разнообразными постановки задач и методы их решения.

Задачи оптимизации стержневых пространственных систем делятся на две группы. К первой группе относятся задачи оптимизации параметров системы. В этих задачах осуществляется управление основными характеристиками конфигурации, в том числе рассосредоточение массы по площадям поперечных сечений. Ко второй группе относятся задачи оптимизации материала конструкции, например, при переменном модуле продольной упругости.

Значительное развитие теории оптимального проектирования стержневых конструкций связано с совершенствованием вычислительной техники. Появление быстродействующих вычислительных машин способствовало интенсивному применению методов вариационного исчисления, математического программирования, оптимального управления системами с распределенными параметрами, которые позволили ставить и решать все более сложные задачи оптимизации стержневых конструкций.

Процедура оптимизации по своему характеру часто является итерационной в силу высокого уровня нелинейности задачи. На каждом шаге процедуру итерационного расчета можно разделить на две фазы. Сначала проводится расчет конструкции для определения внутренних усилий, возникающих при действии заданных нагрузок. Затем производится преобразование переменных проекта на основе соотношений, выведенных из критериев оптимальности.

Преимуществом такого подхода является то, что число итераций, необходимых для достижения оптимума, фактически не зависит от числа

элементов конструкции. Если усилия в элементах конструкции в значительной мере чувствительны к размерам их поперечных сечений, как это наблюдается в задаче оптимизации многостержневой статически неопределимой фермы, то может потребоваться большое число итераций для достижения оптимального проекта. В целях совершенствования этого процесса в последнее время привлекаются эволюционные стратегии.

Цель диссертационной работы заключается в разработке способов и алгоритмов оптимального проектирования конструкций башенного типа при статических и динамических нагрузках с использованием физически обоснованных критериев оптимальности и усовершенствованных эволюционных стратегий оптимизации.

Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи:

  1. Формулировка критерия оптимальности стержневых систем на основе общефизического принципа стационарного действия.

  2. Формирование системы уравнений для оптимального проектирования конструкций башенного типа.

  3. Совершенствование эволюционной стратегии оптимизации строительных конструкций.

  4. Построение эволюционного алгоритма оптимального проектирования конструкций башенного типа при статическом нагружении.

  5. Построение алгоритма расчета конструкции башенного типа при линейном и нелинейном характере колебаний.

  6. Реализация эволюционного алгоритма оптимального проектирования конструкций башенного типа при статическом и динамическом нагружении.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

- энергетический подход к формулировке критерия оптимальности стержневых систем;

вариационная постановка задачи структурного синтеза конструкций башенного типа;

эволюционная стратегия оптимизации с переменной длительностью существования индивидов;

эволюционный алгоритм оптимального проектирования конструкций башенного типа при статическом нагружении;

алгоритмы расчета и оптимального проектирования конструкций башенного типа при линейном и нелинейном характере колебаний.

Достоверность результатов основывается на использовании вариационных принципов механики деформируемого твердого тела, эволюционной теории и сопоставлении результатов оптимизационных расчетов с известными решениями.

Практическая ценность результатов исследований.

Результаты данной работы позволяют эффективно вести оптимальное проектирование строительных конструкций башенного типа при статическом и динамическом нагружениях. Полученные результаты и основанные на них рекомендации позволяют повысить надежность и экономичность конструкций башенного типа. Они также использованы в учебном процессе в дисциплинах строительного профиля. При внедрении результатов работы в производство достигнуто обеспечение оптимального распределения материала, реализованное на основе предложенной методики расчета конструкций башенного типа. При этом достигнута экономия материала на 15-20 % в связи с оптимизацией геометрии и параметров элементов башни.

Положения, выносимые на защиту работы:

энергетический критерий оптимальности стержневых систем, моделирующих конструкции башенного типа;

система нелинейных уравнений из вариационной постановки задачи структурного синтеза стержневой системы и программа для ее решения;

введение в эволюционную стратегию оптимизации переменной длительности существования индивидов;

8 - алгоритм расчета и оптимального проектирования конструкций

башенного типа при статическом нагружении и нелинейных колебаниях.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы доложены на II Международном студенческом форуме (Белгород, 2004); на региональных научно-практических конференциях (Старый Оскол, 2004 - 2006); на Международной научной конференции (Старый Оскол, 2004); на межвузовской молодежной конференции (Набережные Челны, 2005); на 5-м Всероссийском семинаре "Проблема оптимального проектирования сооружений" (Новосибирск, 2005); на Международных научно-практических конференциях "Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии" (Белгород, 2003, 2005); на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи при поддержке ЮНЕСКО (Москва, 2005). Материалы диссертационной работы были представлены на открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Российской Федерации (г. Новосибирск, 2002 - 2004; Томск 2004); на областном конкурсе научных молодежных работ "Молодежь Белгородской области" (Белгород, 2002 - 2006).

Публикации: Материалы диссертационной работы опубликованы в 13 статьях и тезисах докладов конференций, а также 1 монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, приложения, акта и справки внедрения. Диссертация содержит 163 страницы основного текста, в том числе 13 таблиц, 26 рисунков, 150 наименований литературы и 6 приложений.

В первой главе дан общий подход к оптимальному проектированию строительных конструкций, рассмотрены принципы формирования оптимальных конструкций и тенденции их проектирования, произведен краткий обзор работ в области оптимизации конструкций, в частности, методов и алгоритмов оптимального проектирования стержневых систем, представлено математическое моделирование стержневых пространственных систем, а также требования, предъявляемые к их оптимальному проекти-

9 рованию. Подтверждена актуальность дальнейшего совершенствования

недостаточно разработанных методов оптимального проектирования

строительных конструкций и, в частности, стержневых пространственных

систем.

Во второй главе изложены общие сведения о конструкциях башенного типа, области их применения и характерных нагрузках. Рассмотрены конструктивные схемы башен: их конфигурации, схемы решеток, типы сечений элементов, соединения поясов, узлы сопряжения поясов с решеткой, а также опорные узлы. Сделан вывод, что тип и конфигурация конструкций башенного типа определяются, главным образом, их назначением и действующими нагрузками.

В третьей главе рассмотрены проектные расчеты на основе обобщенных вариационных принципов. Рассмотрены примеры оптимального проектирования стержневых пространственных конструкций на основе энергетического критерия. Сделан вывод, что использование критерия минимума объема возможно лишь при дополнительном условии с энергетическим содержанием. Приведен алгоритм и программа для решения системы алгебраических уравнений, соответствующий глобальному экстремуму целевой функции.

Четвертая глава посвящена развитию эволюционной стратегии оптимизации конструкций башенного типа. Рассмотрен пример оптимального проектирования 25-стержневой пространственной конструкции башни. Сделан вывод, что эволюционная стратегия - универсальное средство для оптимального проектирования стержневых систем, при обеспечении надлежащей вычислительной техникой.

В пятой главе рассмотрено оптимальное проектирование конструкций башенного типа при динамических нагрузках. Сделан вывод, что для оптимизации системы, подверженной нелинейным колебаниям, рациональное решение может быть получено при согласовании итерационной процедуры по методу Ньютона-Рафсона и эволюционной стратегии.

Подобные работы
Алдушкин Роман Владимирович
Развитие и совершенствование рациональных методов усиления и регулирования усилий в металлических конструкциях балочного типа и фермах
Туснин Александр Романович
Расчет и проектирование конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля
Столяров Николай Николаевич
Автоматизированный синтез оптимальных стержневых конструкций типа плоских рам
Лебедев Дмитрий Владимирович
Проектирование и разработка технологического процесса намотки сложнопрофильных конструкций типа воздухозаборника двигателя самолета
Савельев Валерий Владимирович
Обоснование типа и конструкций одежд лесовозных автомобильных дорог
Бескоровайный Алексей Викторович
Разработка методов расчета и прогнозирования конструкции бытового холодильника компрессионного типа с аккумулятором холода
Алексеев Дмитрий Станиславович
Разработка мастики нового типа для гидроизоляции транспортных конструкций
Саяпин Сергей Николаевич
Анализ и синтез раскрываемых на орбите прецизионных крупногабаритных механизмов и конструкций космических радиотелескопов лепесткового типа
Серов Михаил Александрович
Математическое моделирование тазового кольца и конструкции фиксирующего устройства незамкнутого типа
Мялицин Вадим Владимирович
Преобразование циклических конструкций для многопроцессорных систем кластерного типа с учетом количества вычислительных устройств

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net