時(shí)間：2023-05-26 16:44:06
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【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；結(jié)構(gòu)類型
0引言
建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即在一些建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案中選取最優(yōu)的或最適宜的設(shè)計(jì)方案，它參照數(shù)學(xué)中的模型最優(yōu)化原理應(yīng)用到建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化比選中。研究發(fā)現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中是否穩(wěn)定、耐久、合理等，主要決定于在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選定的結(jié)構(gòu)類型是否最優(yōu)、是否最符合工程結(jié)構(gòu)的需要。對(duì)于同一座建筑工程項(xiàng)目，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師知識(shí)儲(chǔ)備不同，因此可能會(huì)設(shè)計(jì)出不同的結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)體系，但經(jīng)過結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化、從而選取最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)類型，提高建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命、穩(wěn)定性能。
1建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要因素
1.1荷載設(shè)計(jì)
研究發(fā)現(xiàn)，任何一座建筑結(jié)構(gòu)都需要受到水平力和豎向荷載的作用，同時(shí)建筑還要承受較大的風(fēng)荷載、地震力的作用等。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的整體高度比較低時(shí)，由結(jié)構(gòu)本身的重力引起的豎向荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用比較明顯，而水平荷載作用在結(jié)構(gòu)上，產(chǎn)生的內(nèi)力和位移比較小，往往在計(jì)算時(shí)不考慮水平荷載的作用；若在較高層建筑設(shè)計(jì)中，雖然所受到的豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大程度的影響，但水平荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)本身的影響比豎向荷載產(chǎn)生的影響更加強(qiáng)烈。研究表明，隨著建筑結(jié)構(gòu)整體高度的逐漸增加，水平荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響越將會(huì)越來越大，因此，在建筑結(jié)構(gòu)高度較高時(shí)，結(jié)構(gòu)所承受的水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響則不可忽視。
1.2選取結(jié)構(gòu)類型較輕的
在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，要盡量選取結(jié)構(gòu)體較輕的。在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員越來越重視選用輕質(zhì)高強(qiáng)材料，從而做大程度上減輕整體結(jié)構(gòu)的自重。由于在多層建筑結(jié)構(gòu)中，水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響處于較次要地位，結(jié)構(gòu)所承受的主要荷載是豎向荷載。由于多層建筑樓層較少，整體高度相對(duì)比較低，結(jié)構(gòu)自重相對(duì)來說較輕，對(duì)材料的強(qiáng)度要求不是特高。
但隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的增加，在較多的樓層作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的自重荷載則會(huì)比較大，使得建筑結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的豎向荷載，同時(shí)在水平荷載的作用下，結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件（柱）中會(huì)產(chǎn)生較大的水平剪力和附加軸力。為了使得結(jié)構(gòu)滿足剛度和強(qiáng)度的要求，通常采取加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，但是加大構(gòu)件的截面尺寸會(huì)使得結(jié)構(gòu)的整體自重增加。因此在高層建筑結(jié)構(gòu)首先應(yīng)該考慮如何減輕結(jié)構(gòu)的自重。
研究表明，當(dāng)在高層或超高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，選用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、自重較輕的鋼結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)可以很大程度上減小建筑結(jié)構(gòu)的自重。
1.3 側(cè)向位移
據(jù)相關(guān)資料表明，建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移隨著建筑高度的增加而逐漸增大，因此，在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)層數(shù)較少、高度較低的結(jié)構(gòu)，可以不考慮其側(cè)向位移對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。但隨建筑結(jié)構(gòu)高度的增加，整體結(jié)構(gòu)的側(cè)移對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響則不可忽視。
研究表明，由于水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)作用產(chǎn)生的側(cè)移隨著建筑高度的增加而逐漸增大，且側(cè)移量與結(jié)構(gòu)高度成一定的關(guān)系。
在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，既需要充分考慮建筑結(jié)構(gòu)整體是否具有足夠的承載能力，能否承受風(fēng)荷載的沖擊作用，又要求結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)移性能，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)受到較大的水平力作用下，其可以很好地控制產(chǎn)生過大的側(cè)移量，確保結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性能。
與低層或多層建筑相比，高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度稍微差一些，在發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形更大。為了確保高層建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性階段后，結(jié)構(gòu)整體仍具有較強(qiáng)的抗側(cè)移性能，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，則需要在高層建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)造上采取合適的措施，確保結(jié)構(gòu)具有足夠的延性，從而滿足結(jié)構(gòu)的剛度要求。
2建筑優(yōu)化方法綜述
2.1基本假設(shè)
（1）彈性體假設(shè)
目前，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程分析時(shí)，均采用彈性的分析方法。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到風(fēng)荷載或豎向荷載時(shí)，假設(shè)結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，符合建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。但是當(dāng)受到地震災(zāi)害或臺(tái)風(fēng)襲擊時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的側(cè)向位移，更甚出現(xiàn)裂縫，使得結(jié)構(gòu)進(jìn)入到塑性階段，此時(shí)不可以再用彈性變形計(jì)算，應(yīng)采用彈塑性理論進(jìn)行分析。
（2）小變形假設(shè)
小變形假設(shè)普遍應(yīng)用于結(jié)構(gòu)變形分析中。但當(dāng)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的水平位移與結(jié)構(gòu)的高度比值大于0.002時(shí)，就不可以忽略P―Δ效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響了。
（3）剛性樓板假設(shè)
在高層建筑結(jié)構(gòu)分析時(shí)，假設(shè)樓板的自身平面內(nèi)剛度無限大，而自身平面外的剛度則忽略不進(jìn)行計(jì)算。采用這一假設(shè)，在很大程度上減少了高層建筑結(jié)構(gòu)位移的自由度，減小了計(jì)算的難度，并為筒體結(jié)構(gòu)采用空間薄壁桿的計(jì)算理論提供了保障。研究發(fā)現(xiàn)，剛性樓板假設(shè)一般適用于框架結(jié)構(gòu)體系和剪力墻結(jié)構(gòu)體系中。
2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法
（1）并行算法
由于高層建筑結(jié)構(gòu)的主要因素是結(jié)構(gòu)的抵抗水平力的性能。因此，抗側(cè)移性能的強(qiáng)弱成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，且是衡量建筑結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性能的標(biāo)準(zhǔn)。
由于在建筑結(jié)構(gòu)中，單位建筑結(jié)構(gòu)面積的結(jié)構(gòu)材料中，用于承擔(dān)重力荷載的結(jié)構(gòu)材料用量與房屋的層數(shù)近似成正比例線性關(guān)系。此外，用于建筑結(jié)構(gòu)樓頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料用量幾乎是定值，不隨結(jié)構(gòu)的層數(shù)變化；但是用于墻、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料用量隨樓房的層數(shù)成線性正比例增加；而對(duì)于抵抗側(cè)向移動(dòng)的結(jié)構(gòu)材料用量，與樓房結(jié)構(gòu)層數(shù)的二次方的關(guān)系增長(zhǎng)。圖3-1表示在風(fēng)荷載作用下的5跨鋼框架結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)層數(shù)結(jié)構(gòu)材料各個(gè)構(gòu)件用量。
研究表明，樓房結(jié)構(gòu)所采用的結(jié)構(gòu)體系是否具有較好的抗側(cè)力性能，在很大程度上影響結(jié)構(gòu)材料的用量，綜合考慮各方面的條件，通過精心設(shè)計(jì)確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使結(jié)構(gòu)體系的材料用量降低到最小程度。從上圖中的虛線以上陰影部分就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)約的鋼材用量，因此高層建筑結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在很大程度上節(jié)約工程的總造價(jià)。
（2可靠度優(yōu)化法
在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體可靠度優(yōu)化。在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生不活躍的地區(qū)，風(fēng)荷載是主要的水平荷載。因此，在非地震災(zāi)害區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)的方案選型時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用抗風(fēng)性能比較好的結(jié)構(gòu)體系，也就是選用風(fēng)壓體型系數(shù)較小的建筑結(jié)構(gòu)體系。比如結(jié)構(gòu)外形呈曲線流線型變化的建筑結(jié)構(gòu)圓形、橢圓形等，或是結(jié)構(gòu)從下往上逐漸減小的截錐形體系的風(fēng)壓體形系數(shù)較小，有利于很好地抗風(fēng)。此外，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面布置時(shí)，適合選取結(jié)構(gòu)平面形狀和結(jié)構(gòu)剛度分布均勻?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)體系類型，這樣可以在很大程度上減小風(fēng)荷載作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響。同時(shí)，還要限制高層建筑結(jié)構(gòu)的高寬比，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆和失穩(wěn)現(xiàn)象。
（3）高層體系優(yōu)化法
由于建筑使用性能的不同，所以其對(duì)內(nèi)部空間的要求不同。同時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)使用功能不同，則其平面布置也發(fā)生改變。通常，住宅和旅館的客房等宜采用小空間平面布置方案；辦公樓則適合采用大小空間均有；商場(chǎng)、飯店、展覽廳以及工廠廠房等則適宜采用大空間的的平面布置；宴會(huì)廳、舞廳則要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有柱子的大空間。由于不同的結(jié)構(gòu)體系可以提供的內(nèi)部空間的大小不同，因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該首先根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的使用功能，選用合適的結(jié)構(gòu)類型。
3結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，在確定高層建筑結(jié)構(gòu)方案時(shí)，要全面考慮結(jié)構(gòu)的使用功能、場(chǎng)地類別、設(shè)防烈度、建筑高度、地基基礎(chǔ)類型、結(jié)構(gòu)材料和施工工藝，同時(shí)還要考慮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)保障等，選擇最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)體系。
參考文獻(xiàn)
[1] 謝琳琳.關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)選型決策的研究[D]，重慶：重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2001
【關(guān)鍵詞】工業(yè)建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化方法
1工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討
1.1工業(yè)建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。目前，在工業(yè)建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程之中，依據(jù)各類建筑，其優(yōu)化需求目標(biāo)基本上可以分成兩類：（1）傳統(tǒng)概念之上的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，其主要就是針對(duì)成本結(jié)構(gòu)來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在最大限度之上來充分的保障設(shè)計(jì)的質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性，最終于現(xiàn)代社會(huì)低碳環(huán)保的各項(xiàng)要求相符。（2）主要就是利用建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化來滿足企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)的各項(xiàng)目標(biāo)，達(dá)到建筑整體而結(jié)構(gòu)的布局及設(shè)備置放的部位、分析與處理施工流程之中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，來最大程度之上加大工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的效率，提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
1.2工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的常見問題。在目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的施工經(jīng)驗(yàn)之中來進(jìn)行分析，一般問題都是出現(xiàn)在優(yōu)化之中?，F(xiàn)如今，應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的范圍逐漸的加大，這對(duì)于概念性設(shè)計(jì)與空間美學(xué)產(chǎn)生了較大的影響。此外，大部分工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化之中，設(shè)計(jì)人員對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)規(guī)劃布局缺乏一個(gè)全面化的認(rèn)識(shí)，最終相應(yīng)的也就引發(fā)了優(yōu)化效果不顯著情況的出現(xiàn)以及大部分企業(yè)對(duì)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不認(rèn)可。
2工業(yè)建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化
2.1建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的注意事項(xiàng)?，F(xiàn)如今，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們國(guó)家大多建筑師基本上都不會(huì)參前期方案的設(shè)計(jì)，針對(duì)結(jié)構(gòu)可行性與合理性來進(jìn)行分析，在后期工程建設(shè)與方案設(shè)計(jì)相應(yīng)的也就加大了難度，當(dāng)然這也就需要增加對(duì)于工程的投入及應(yīng)用。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期就得要及時(shí)的引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)理念，這樣一來不僅僅可以統(tǒng)籌兼顧來分析出工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的各項(xiàng)需求，而且還可以縮減企業(yè)資金的投入量，那么就可以在工程的初期進(jìn)行合理的控制。
2.2建立完善的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化體系。在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程之中，因?yàn)楦鱾€(gè)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺失統(tǒng)一的指導(dǎo)方案，那么就會(huì)使得建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化無法滿足工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)要求。所以在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，首先要做的就是得完成的管理體系建立起來，利用管理體系以及工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之中出現(xiàn)的各項(xiàng)問題來進(jìn)行分析，并及時(shí)的制定出來行之有效的措施來解決，逐漸的工作的內(nèi)容完善起來，最終在最大限度之上來充分的滿足工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量管理的目的，加大工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量及其后期正式應(yīng)用的使用效率。
2.3建立工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型。為了進(jìn)一步科學(xué)、合理化的實(shí)現(xiàn)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作可以有條不紊的進(jìn)行，在真是開展優(yōu)化工作之前，要將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型建立起來，在眾多變量參數(shù)之中選擇出來其中的重要參數(shù)，逐步將函數(shù)模型建立起來，最終實(shí)現(xiàn)最佳的優(yōu)化方案。
2.4吊車水平載荷。大部分工廠的生產(chǎn)均要利用吊車來進(jìn)行輸送體積偏大的獲取，吊車荷載主要可以分為水平與豎直。SAP2000在結(jié)構(gòu)分析之中可以將吊車的水平荷載利用等效靜載負(fù)荷的方式來加到排架樁之上，另外豎直荷載主要就是利用移動(dòng)式的靜載負(fù)荷來進(jìn)行施加的。
2.5電廠煤斗。煤斗是一種大型設(shè)備，其主要特征表現(xiàn)在：高度高以及體積大，并且有水平地震的重要性。針對(duì)支承構(gòu)建而產(chǎn)生附加的扭矩以及彎矩，那么就得要利用相應(yīng)的計(jì)算來進(jìn)行補(bǔ)償附加的內(nèi)力。其主要步驟為：首先在設(shè)備的重心位置加設(shè)相應(yīng)的支承結(jié)構(gòu)，將附加的內(nèi)力進(jìn)行縮減；其次則是在與支承梁桿的軸心位置垂直的部位加設(shè)梁結(jié)構(gòu)，使得支承梁的扭矩轉(zhuǎn)變成為作用在梁上的彎矩；再者就是這個(gè)時(shí)候梁的抗彎能力十分的強(qiáng)，最終轉(zhuǎn)移危險(xiǎn)；最后則是支承結(jié)構(gòu)抗扭配筋在不斷的強(qiáng)化，樓板強(qiáng)度也隨即加強(qiáng)。
2.6磨煤機(jī)隔振。對(duì)于火電廠而言，其發(fā)電過程之中始終無法離開煤炭，那么其中的關(guān)鍵工具就是磨煤機(jī)。振動(dòng)的程度也會(huì)在很大程度之上影響到其他設(shè)備，特別是配電裝置以及發(fā)電機(jī)組所處的控室。為了可以有效的避免這些問題的出現(xiàn)，那么彈性支承系統(tǒng)也因此而出現(xiàn)。（1）應(yīng)用了彈簧振系統(tǒng)之后，磨煤機(jī)基礎(chǔ)臺(tái)座的重量約為一般基礎(chǔ)快的二分之一。由于將之前的占地空間縮減，這對(duì)于工藝布置而言十分的有利。（2）應(yīng)用了彈簧隔振系統(tǒng)之后，降低了磨煤機(jī)振動(dòng)的頻率，另外最為關(guān)鍵的就是有效的降低了磨煤機(jī)對(duì)于周邊廠房及人員的影響。（3）因?yàn)槟ッ簷C(jī)基礎(chǔ)臺(tái)座和鍋爐廠房結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)分離的現(xiàn)象，磨煤機(jī)基礎(chǔ)施工的靈活性偏大。磨煤機(jī)基礎(chǔ)施工的進(jìn)行交叉是的施工，可以有效的縮減施工周期。（4）調(diào)平磨煤機(jī)，基礎(chǔ)沉降可以通過彈性彈簧隔振器來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。（5）應(yīng)用彈簧隔振系統(tǒng)之后，磨煤機(jī)自身受到荷載影響偏小，減小了磨煤機(jī)磨損的程度，使得磨煤機(jī)的運(yùn)行可靠性進(jìn)一步的提升。另外還可以有效的延長(zhǎng)磨煤機(jī)的使用壽命，加大磨煤機(jī)大修的周期。（6）和一般基礎(chǔ)相比之下，在應(yīng)用彈簧隔振系統(tǒng)之后，磨煤機(jī)基礎(chǔ)的振動(dòng)具備可控制性，最為關(guān)鍵的就是傳遞到基礎(chǔ)下荷載量減小了，所以可以適當(dāng)?shù)目s減地基基礎(chǔ)處理的資金。綜上所述，工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為繁雜的工作，那么需要考慮各個(gè)方面的因素，從選擇原材料到工程設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)優(yōu)化等等各個(gè)部分，依據(jù)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的特征來來具體的進(jìn)行操作。逐漸的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在最大限度之上設(shè)計(jì)出來經(jīng)濟(jì)合理的方案。
參考文獻(xiàn)
1.1基于拉格朗日方程的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模在對(duì)硅片傳輸機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型過程中，需要對(duì)實(shí)際機(jī)器人進(jìn)行如下合理的假設(shè)：①將硅片傳輸機(jī)器人手臂等效為均質(zhì)桿，將關(guān)節(jié)質(zhì)量等效為集中質(zhì)量；②將同步帶以及諧波減速器等效為無質(zhì)量線性彈簧，系統(tǒng)阻尼采用比例阻尼進(jìn)行簡(jiǎn)化。經(jīng)過上述假設(shè)后，硅片傳輸機(jī)器人手臂可由如圖2所示的簡(jiǎn)化模型表示。硅片傳輸機(jī)器人手臂簡(jiǎn)化模型中各物理量參數(shù)定義及其數(shù)值見表1。1.2硅片傳輸機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性分析柔性系統(tǒng)一般有多階固有頻率以及模態(tài)，但并非所有階固有頻率和模態(tài)會(huì)對(duì)末端軌跡精度造成影響。為了有效地選取優(yōu)化變量，首先應(yīng)先對(duì)柔性系統(tǒng)進(jìn)行固有頻率及模態(tài)等動(dòng)態(tài)特性分析，從中尋找對(duì)末端軌跡精度有影響的模態(tài)以及對(duì)應(yīng)的固有頻率階數(shù)，從而將優(yōu)化重點(diǎn)放在為對(duì)末端軌跡精度影響較大的固有頻率階數(shù)上。由于固有頻率為系統(tǒng)的固有屬性，因此將硅片傳輸機(jī)器人手臂的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型寫為式(2)的形式進(jìn)行模態(tài)分析根據(jù)模態(tài)分析理論，柔性系統(tǒng)固有頻率以及模態(tài)振型可由式(3)求得，其中ω為固有頻率，A為模態(tài)振型矢量硅片傳輸機(jī)器人手臂柔性關(guān)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量陣為時(shí)變矩陣，因此其固有頻率會(huì)隨著末端的位置變化而變化。采用表1的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真得到硅片傳輸機(jī)器人手臂固有頻率特性如圖3所示。由圖3中可以看出機(jī)械臂的固有頻率隨末端點(diǎn)位置變化而變化。選取末端點(diǎn)位置最遠(yuǎn)點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果如圖4所示。由模態(tài)分析結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的第三階模態(tài)各個(gè)關(guān)節(jié)角的振幅比例約為1:–2:1。根據(jù)硅片傳輸機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)原理，大臂、小臂以及末端手的關(guān)節(jié)角度按照1:–2:1運(yùn)動(dòng)時(shí)，末端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條直線，故三階振動(dòng)狀態(tài)對(duì)末端軌跡的直線度并不造成影響。因此，對(duì)于硅片傳輸機(jī)器人手臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，只需要重點(diǎn)考慮一階與二階的振動(dòng)，以提高系統(tǒng)一階與二階固有頻率為主要目標(biāo)。
2手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化變量確定
如何在可優(yōu)化變量中找到對(duì)固有頻率影響最大的設(shè)計(jì)變量通常需要進(jìn)行靈敏度分析。當(dāng)優(yōu)化參數(shù)以一很小值變化時(shí)，將此時(shí)固有頻率的變化量作為該結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)固有頻率的靈敏度。通常固有頻率對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度可由式(4)表示式(4)的前提條件為設(shè)計(jì)變量bj的修改量必須很小。而在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)不同設(shè)計(jì)變量改變同樣數(shù)值時(shí)的難易程度并不相同，而對(duì)優(yōu)化變量改變同樣百分比的數(shù)值的難易程度基本一致。例如硅片傳輸機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)剛度數(shù)值相對(duì)較大，而手臂質(zhì)量較小，如果同樣采取0.1為改變量時(shí)，剛度修改比質(zhì)量修改更容易。因此，本文提出固有頻率權(quán)值的概念，并以權(quán)值作為優(yōu)化參數(shù)的選擇依據(jù)。2.1權(quán)值概念在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，固有頻率一般為多個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的隱函數(shù)，可將固有頻率按式(6)進(jìn)行展開，其中偏導(dǎo)數(shù)項(xiàng)即為固有頻率的靈敏度，而權(quán)值向量則表示所有變量對(duì)固有頻率數(shù)值“貢獻(xiàn)”的比例。優(yōu)化變量的權(quán)值越大說明該變量對(duì)固有頻率的影響越大。2.2優(yōu)化參數(shù)確定根據(jù)上述理論，分別對(duì)硅片傳輸機(jī)器人手臂的優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析與權(quán)值分析。結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)一階固有頻率的靈敏度分析結(jié)果如圖5所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)一階固有頻率的權(quán)值分析結(jié)果如圖6所示；結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)二階固有頻率的靈敏度分析結(jié)果如圖7所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)二階固有頻率的權(quán)值分析結(jié)果如圖8所示。從仿真結(jié)果中可以看出：當(dāng)采用靈敏度作為選擇依據(jù)時(shí)，關(guān)節(jié)處的等效慣量靈敏度最高，而其余參數(shù)均較小，當(dāng)采用權(quán)值作為選擇依據(jù)時(shí)，手臂質(zhì)量、桿長(zhǎng)以及柔性環(huán)節(jié)剛度對(duì)固有頻率影響較大，顯然采取權(quán)值作為判斷依據(jù)更符合實(shí)際情況。其中權(quán)值為正表示參數(shù)增大時(shí)固有頻率提升，權(quán)值為負(fù)表示參數(shù)減小時(shí)固有頻率提升。分析結(jié)果表明：對(duì)一階固有頻率的權(quán)值較大的變量為：腕關(guān)節(jié)集中質(zhì)量、末端手臂質(zhì)量、小臂與末端手長(zhǎng)度以及同步帶的剛度；對(duì)二階固有頻率的權(quán)值較大的變量為：腕關(guān)節(jié)質(zhì)量、小臂質(zhì)量、末端手臂質(zhì)量、小臂與末端手長(zhǎng)度以及同步帶剛度。本文只重點(diǎn)考慮質(zhì)量的優(yōu)化，且腕關(guān)節(jié)集中質(zhì)量主要為軸承等標(biāo)準(zhǔn)件，無法進(jìn)行優(yōu)化。因此，最終的優(yōu)化變量確定為：小臂質(zhì)量與末端手臂質(zhì)量。同時(shí)注意到大臂的質(zhì)量對(duì)一階與二階固有頻率均無影響，必要時(shí)可以考慮增加大臂的質(zhì)量來增加豎直方向上的剛度。
3手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
根據(jù)上述分析結(jié)果，最終選取硅片傳輸機(jī)器人小臂質(zhì)量與末端手臂的質(zhì)量作為優(yōu)化參數(shù)，減小質(zhì)量參數(shù)有助于固有頻率的提高。然而大幅度的減小手臂的質(zhì)量必然造成手臂在豎直方向上的剛度降低，從而使懸臂結(jié)構(gòu)在豎直方向上的靜態(tài)變形增大以及在豎直方向上的振動(dòng)的加劇。因此在減小手臂質(zhì)量的同時(shí)，需要考慮對(duì)豎直方向上變形的影響。3.1優(yōu)化方法及約束方程推導(dǎo)將硅片傳輸機(jī)器人小臂與末端臂簡(jiǎn)化為圖9所示的等截面空心梁。其中H與W為空間尺寸約束條件，通常為常數(shù)；h1、h2、h3為手臂厚度變量；L為手臂長(zhǎng)度。OYZ為截面坐標(biāo)系，YC為截面彎曲中性軸。硅片傳輸機(jī)器人小臂與末端臂的受力均可等效為圖10所示的形式。圖10中p為手臂自身重力引起的均布載荷，F(xiàn)e為等效力，Me為等效轉(zhuǎn)矩。則手臂末端的撓度、由于硅片傳輸機(jī)器人手臂為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，故式(8)中的等效力與等效力矩均參數(shù)均與該手臂所承載的后端的手臂的質(zhì)量以及長(zhǎng)度參數(shù)有關(guān)。因此，在進(jìn)行硅片傳輸機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要從末端手臂開始設(shè)計(jì)，隨后再設(shè)計(jì)小臂。3.2末端手臂優(yōu)化設(shè)計(jì)在硅片傳輸機(jī)器人末端手臂設(shè)計(jì)時(shí)，末端手臂所承受的等效力與等效轉(zhuǎn)矩由末端手與負(fù)載的參數(shù)決定。通常末端手與負(fù)載的參數(shù)為常數(shù)，且末端手等效載荷以及尺寸約束參數(shù)數(shù)值如表2所示。仿真結(jié)果表明：末端總變形隨末端手臂上壁厚度的增加而增加，但當(dāng)上壁厚度大于2mm后末端總變形基本不變；側(cè)壁的厚度對(duì)末端總變形的影響較小，基本可以忽略；末端總變形隨著末端手臂下蓋厚度增加而增加，但當(dāng)下蓋厚度大于1mm之后，總變形增加的較為緩慢。因此，末端手臂厚度尺寸最終確定為：上壁厚度2mm、側(cè)壁厚度1.5mm、下蓋厚度1.5mm。3.3小臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)末端手臂優(yōu)化完成后，小臂的等效力與等效轉(zhuǎn)矩參數(shù)即可以確定。小臂受力及約束尺寸參數(shù)數(shù)值如表3所示。仿真結(jié)果表明：末端總變形隨小臂上壁厚度的增加而增加，但當(dāng)上壁厚度大于2mm后末端總變形基本不變；側(cè)壁的厚度對(duì)末端總變形的影響較小，基本可以忽略；末端總變形隨著小臂下蓋厚度增加而增加，但當(dāng)下蓋厚度大于1mm之后，總變形增加的較為緩慢。因此，小臂厚度尺寸最終確定為：上壁厚度2.5mm、側(cè)壁厚度2mm、下蓋厚度1.5mm。
4優(yōu)化前后性能及參數(shù)對(duì)比
優(yōu)化前后的小臂與末端手臂的三維模型如圖17所示(手臂的下端蓋未顯示)。優(yōu)化前后手臂質(zhì)量以及硅片傳輸機(jī)器人手臂系統(tǒng)的固有頻率數(shù)值對(duì)比關(guān)系如表4所示優(yōu)化前后硅片傳輸機(jī)器人手臂系統(tǒng)由懸臂引起的豎直方向上的靜變形、靜應(yīng)力以及豎直方向上的振動(dòng)頻率如圖18～23所示。由表5與表6可以看出：優(yōu)化前后末端手臂質(zhì)量降低了50%，小臂質(zhì)量降低了18.8%；一階固有頻率平均值與二階固有頻率平均值均提高了10%；豎直方向上最大靜態(tài)變形量降低了52.3%；系統(tǒng)最大應(yīng)力降低了58.3%；豎直方向上的振動(dòng)頻率提高了45.2%。
5結(jié)論
截面優(yōu)化 形狀優(yōu)化 拓?fù)鋬?yōu)化 算法
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是最近30年來才發(fā)展起來的一個(gè)新的技術(shù)，這是結(jié)構(gòu)上的一次重大的飛躍，它讓設(shè)計(jì)者們從被動(dòng)的狀態(tài)變?yōu)榱酥鲃?dòng)狀態(tài)。優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠非常合理地使用每一種材料的性能，讓結(jié)構(gòu)內(nèi)的每一個(gè)單元都能夠很好的協(xié)調(diào)在一起，并且保證安全度是完全達(dá)標(biāo)的。于此同時(shí)，它還能夠幫助整體性的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行一個(gè)非常合理的決策。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)從出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有40多年的歷史了，而在過去的30年內(nèi)，它在理論和算法等方面都取得了非常顯著的進(jìn)展。這些進(jìn)展大部分是與連續(xù)變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的，另外少部分是與離散變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的。
1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論
1.1 截面優(yōu)化
截面優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量要么是板的厚度、桿的橫截面積，要么是復(fù)合材料的方向角度或分層厚度，因此，在使用有限元對(duì)結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，只需要直接地使用靈敏度分析以及適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)規(guī)劃方法便能夠完成截面優(yōu)化的過程，而不需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分。對(duì)于幾何狀態(tài)一定的情況，有限元分析只需要在桿的橫截面的性質(zhì)發(fā)生改變的時(shí)候才重復(fù)地進(jìn)行。對(duì)于板這類有連續(xù)性結(jié)構(gòu)的東西，也只需要把各個(gè)單元的厚度作為設(shè)計(jì)的變量，得出的優(yōu)化結(jié)果便是呈階梯形分布的板的厚度。在這些優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，設(shè)計(jì)變量和剛度矩陣一般情況下是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。所以，截面優(yōu)化應(yīng)該重點(diǎn)研究?jī)?yōu)化算法與靈敏度分析。
1.2 形狀優(yōu)化
形態(tài)優(yōu)化的主要特征是在結(jié)構(gòu)給定的前提下通過對(duì)結(jié)構(gòu)的邊界形狀或內(nèi)部的幾何形狀進(jìn)行調(diào)整來節(jié)約材料并且對(duì)結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行改善。從對(duì)象上劃分，形狀優(yōu)化主要可以分為塊狀、板狀的連續(xù)體結(jié)構(gòu)與桁架類的桿系結(jié)構(gòu)。對(duì)于桿系結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行優(yōu)化的求解方法主要可以分為兩類。第一類是綜合法，即是將兩類變量統(tǒng)一起來同時(shí)進(jìn)行處理，運(yùn)用無量綱化，然后構(gòu)造近似數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。第二類是分步優(yōu)化方法，即是將尺寸變量和幾何變量分為兩個(gè)設(shè)計(jì)空間，然后分別對(duì)這兩類變量進(jìn)行優(yōu)化，也即是每一步將一個(gè)變量固定，同時(shí)優(yōu)化另一個(gè)變量，兩步之間通過迭代進(jìn)行協(xié)調(diào)。
1.3 拓?fù)鋬?yōu)化
拓?fù)鋬?yōu)化已經(jīng)成為了現(xiàn)今結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的一個(gè)焦點(diǎn)，因?yàn)樗梢栽诠こ探Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最初的階段便為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)概念性的設(shè)計(jì)，讓結(jié)構(gòu)在布局上運(yùn)用到最好的方案，這樣，拓?fù)鋬?yōu)化就比截面優(yōu)化和形狀優(yōu)化能夠獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益，也更容易受到工程設(shè)計(jì)人員的親睞。拓?fù)鋬?yōu)化的目的是在設(shè)計(jì)空間中尋找結(jié)構(gòu)的剛度最好的分布形式，從而來對(duì)結(jié)構(gòu)的一些性能進(jìn)行優(yōu)化或者減輕結(jié)構(gòu)的重量。
2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
2.1 數(shù)學(xué)規(guī)劃法
數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的提出開創(chuàng)了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新時(shí)代，將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)規(guī)劃的形式求解也就是將問題轉(zhuǎn)化為在設(shè)計(jì)的空間中，在一定的可行域內(nèi)尋找最小目標(biāo)等值面上的可行的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)也就是問題的最優(yōu)解。數(shù)學(xué)規(guī)劃法有非常嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，雖然它在一定的條件下能夠收斂到最優(yōu)的解，但是它要求問題能夠非常明顯地表達(dá)，而且大多數(shù)情況下還要求設(shè)計(jì)變量必須是連續(xù)變量，目標(biāo)函數(shù)是連續(xù)的而且性態(tài)要良好。對(duì)于大型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，收斂性一般都不是很好，而且迭代的次數(shù)比較多，這樣就加大了結(jié)構(gòu)分析的工作量，降低了工作效率。近似概念大大地提高了規(guī)劃方法的計(jì)算的效率。
2.2 最優(yōu)準(zhǔn)則法
直接地使用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論需要多次地調(diào)用函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，而且當(dāng)設(shè)計(jì)變量增加時(shí)調(diào)用次數(shù)也會(huì)迅速增加，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的效率太低，在這樣一種背景下便出現(xiàn)了最優(yōu)準(zhǔn)則法，它是最先發(fā)展的一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這種方法雖然計(jì)算效率比較高，但是在建立迭代公式的過程中受到很多假設(shè)的限制。
2.3 仿生學(xué)方法
近年來，對(duì)自然界進(jìn)化進(jìn)行模擬的算法有兩類，即模仿自然界過程算法和模仿自然界結(jié)構(gòu)算法，主要又可以分為：進(jìn)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與模擬退火。
結(jié)語(yǔ)
結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一門綜合性的學(xué)科，也是一個(gè)有很大發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较?，它具有一定的理論價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值。在理論上，它對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一個(gè)新理念，極大地促進(jìn)了人類資源的合理配置。于此同時(shí)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的本身也帶動(dòng)了一些相關(guān)性學(xué)科的發(fā)展，對(duì)各個(gè)學(xué)科的發(fā)展提出了一些新要求。本文對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一些優(yōu)化方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概括。截面優(yōu)化相對(duì)來說已經(jīng)比較完善，形狀優(yōu)化也漸漸地變得成熟，只有拓?fù)鋬?yōu)化至今還處在理論探索的階段。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)健詞 船舶結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；設(shè)計(jì)方法
中圖分類號(hào) U66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2013）103-0100-02
進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是尋求合適的結(jié)構(gòu)形式和最佳的構(gòu)件尺寸，既保證船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、頻率和剛度等一般條件，又保證其具有很好的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性能、使用性能和工藝性能。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)分析與模擬基礎(chǔ)上建立的船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，借鑒了相關(guān)的工程學(xué)科的基本規(guī)律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也取得了較大的進(jìn)步；建立在人工智能原理與專家系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上的智能型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法也取得了突破性進(jìn)展。
1經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他認(rèn)為在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)把給定條件的結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)變成目標(biāo)函數(shù)求極值的數(shù)學(xué)問題。這一方法很快得到了其他專家的認(rèn)可。1966年，D.Kavlie與J.Moe 等首次將數(shù)學(xué)規(guī)劃法應(yīng)用于船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，翻開了船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新篇章。我國(guó)的船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潛艇在中剖面、框架、板架和圓柱形耐壓殼等基本結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
由于船舶結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的板梁組合結(jié)構(gòu)，在受力和使用的要求上也很高，所以在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)涉及到許多設(shè)計(jì)變量與約束條件，工作內(nèi)容很多，十分困難。船舶結(jié)構(gòu)的分級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)法就是在這個(gè)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，其基本思路是最優(yōu)配置第一級(jí)的整個(gè)材料，優(yōu)選第二級(jí)的具體結(jié)構(gòu)的尺寸。每一級(jí)又可以根據(jù)具體情況劃分成若干個(gè)子級(jí)。兩級(jí)最后通過協(xié)調(diào)變量迭代，將整個(gè)優(yōu)化問題回歸到原問題。分級(jí)優(yōu)化方法成功地解決了進(jìn)行船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)中的剖面結(jié)構(gòu)、船舶框架和板架、潛艇耐壓殼體等一系列基本問題。
2 多目標(biāo)的模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法
經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法是在確定性條件下進(jìn)行的， 也就是說目標(biāo)函數(shù)與約束條件是人為的或者按某種規(guī)定提出的，是個(gè)確定的值。但是在實(shí)際上， 在船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程、約束條件、評(píng)價(jià)指標(biāo)等各方面都包含著許多的模糊因素，想要實(shí)現(xiàn)模糊因素優(yōu)化問題， 就必須依賴于模糊數(shù)學(xué)來實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的主要形式是：
式中j 和j分別是第j性能或者幾何尺寸約束里的上下限。
模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法大大的增加了設(shè)計(jì)者在選擇優(yōu)化方案時(shí)的可能性， 讓設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)方案的形態(tài)有了更深入的了解。目前，模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法發(fā)展很快， 但是，還未實(shí)現(xiàn)完全實(shí)用化。多目標(biāo)的模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法的難點(diǎn)主要在于如何針對(duì)具體設(shè)計(jì)對(duì)象， 正確描述目標(biāo)函數(shù)的滿意度與約束函數(shù)滿足度隸屬函數(shù)的問題。
3 基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法首先在40 年代后期由原蘇聯(lián)引入到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 產(chǎn)生了安全度理論。這種理論以材料勻質(zhì)系數(shù)、超載系數(shù)、工作條件系數(shù)來分析考慮材料、載荷及環(huán)境等隨機(jī)性因素。早在50年代，人們就在船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中指出了可靠性概念，隨后，船舶設(shè)計(jì)的可靠性受到人們的重視，開始研究可靠性設(shè)計(jì)方法在船舶結(jié)構(gòu)建造中的應(yīng)用。
船舶結(jié)構(gòu)可靠性的理論和方法根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同要求， 可以得出不同的結(jié)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。大體分為以下3種：
1）根據(jù)結(jié)構(gòu)的可靠性R·，要求結(jié)構(gòu)的重量W最輕，即：
MinW（X），s.t.R ≧R·
2）根據(jù)結(jié)構(gòu)的最大承重量W·， 要求結(jié)構(gòu)的可靠性最大或者破損概率最小，即：
Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·
3）兼顧結(jié)構(gòu)重量和可靠性或破損概率， 實(shí)現(xiàn)某種組合的滿意度達(dá)到最大，即：
Max[a1uw（X）+a2upf（X）]
式中， a1，a2分別代表結(jié)構(gòu)重量和破損概率的重要度程度， 而且滿足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分別為代表相應(yīng)的滿意度。
關(guān)于船舶結(jié)構(gòu)的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究越來越多， 逐漸成為船舶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要方向。但是，可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法除了在大規(guī)模的隨機(jī)性非線性規(guī)劃求解中存在困難外， 還有一個(gè)重要的難點(diǎn)在于評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)可靠性的過程很復(fù)雜， 而且計(jì)算量大。
4 智能型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
隨著人工智能技術(shù)（Al）和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展， 給船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的途徑，也就是智能型優(yōu)化設(shè)計(jì)法。
智能型的優(yōu)化設(shè)計(jì)法的基本做法為：搜索優(yōu)秀的相關(guān)產(chǎn)品資料，通過整理，概括成典型模式，再進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析、類比分析和敏度分析尋找設(shè)計(jì)對(duì)象和樣本模式間的相似度、差異性與設(shè)計(jì)變量敏度等，按某種準(zhǔn)則實(shí)施的樣本模式進(jìn)行變換， 進(jìn)而產(chǎn)生若干符合設(shè)計(jì)要求的新模式， 經(jīng)過綜合評(píng)估與經(jīng)典優(yōu)化方法的調(diào)參和優(yōu)選， 最終取得最優(yōu)方案。
智能型的優(yōu)化設(shè)計(jì)法法的優(yōu)點(diǎn)是創(chuàng)造性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是可靠性較弱。所以在分析計(jì)算其產(chǎn)生的各種性能指標(biāo)時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行多目標(biāo)的模糊評(píng)估， 必要時(shí)還應(yīng)當(dāng)使用經(jīng)典優(yōu)化方法對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
5 結(jié)論
通過本文對(duì)船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究，我們得出在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候， 往往會(huì)涉及到很多相互制約和互相影響的因素， 這就需要設(shè)計(jì)人員權(quán)衡利弊， 進(jìn)行綜合考察， 不但要進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)選，而且還要針對(duì)具體情況對(duì)做出的方案進(jìn)行評(píng)估、優(yōu)選和排序。通過什么準(zhǔn)則對(duì)不同的方案進(jìn)行綜合評(píng)估，得出最優(yōu)方案， 成為專家和設(shè)計(jì)人員需要繼續(xù)研究的問題。
參考文獻(xiàn)
[1]郭軍，肖熙.基于可靠性的船體結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（1）.
（1）速率：速率低，原因在哪？
（2）SINR：干擾高，怎么定位？
（3）覆蓋：覆蓋弱、重疊過高，原因在哪？
（4）業(yè)務(wù)：業(yè)務(wù)怎么分布、高業(yè)務(wù)在哪？
通過LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化平臺(tái)（ASOS）軟件的算法研究和軟件開發(fā)，使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化體系化且流程化。ASOS可以對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)小區(qū)級(jí)的結(jié)構(gòu)分析，對(duì)弱覆蓋、重疊覆蓋、過覆蓋、下行SINR、上行SINR都可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)級(jí)的統(tǒng)計(jì)分析，并可以實(shí)現(xiàn)弱覆蓋及上下行SINR的采樣點(diǎn)級(jí)的定位，快速查找問題區(qū)域。
1 LTE低速率原因分析方法
下載速率由單雙流和MCS決定，雙流和MCS由CQI決定，CQI由SINR決定，那決定SINR的因素就是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的重點(diǎn)。
LTE低速率問題具體的表征有2個(gè)方面，一是每RB的傳輸效率低，二是PRB的調(diào)度率低。
2 LTE弱覆蓋問題分析方法
弱覆蓋發(fā)生的原因主要分為站距過大、基站未開通、移動(dòng)參數(shù)配置問題、漏配鄰小區(qū)、室分信號(hào)外泄。
在LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析平臺(tái)ASOS中，采用MRO數(shù)據(jù)對(duì)弱覆蓋進(jìn)行定位分析，發(fā)現(xiàn)弱覆蓋在小區(qū)中的具置，使得弱覆蓋問題的解決更加有目標(biāo)和針對(duì)性。
3 LTE干擾問題分析方法
下行SINR是有效信號(hào)功率和干擾信號(hào)以及噪聲功率的比值，該指標(biāo)能有效反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的干擾情況。SINR決定下載速率，兩者呈線性關(guān)系。
導(dǎo)致低SINR的原因除了弱覆蓋之外，還有重疊覆蓋、切換不及時(shí)、漏配鄰小區(qū)、室分外泄、過覆蓋等。一般情況下弱覆蓋的影響最大，可細(xì)分為缺站、基站未開通等問題。外部干擾也會(huì)導(dǎo)致SINR的嚴(yán)重惡化。
對(duì)于下行SINR，在OMC網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)中并沒有輸出，LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析平臺(tái)ASOS根據(jù)專利算法，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)的下行SINR的計(jì)算和輸出，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化將會(huì)起到巨大推動(dòng)作用。
4 LTE重疊覆蓋分析方法
不同小區(qū)間的高重疊覆蓋會(huì)引起干擾，干擾的程度會(huì)在SINR中體現(xiàn)，進(jìn)而影響下載速率。將重疊覆蓋和SINR以及下載速率進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，得出重疊覆蓋對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響程度。
在重疊覆蓋分析中，通常會(huì)采用掃頻數(shù)據(jù)，對(duì)于SINR，采用路測(cè)數(shù)據(jù)，兩者通過柵格化的分析方向進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。重疊覆蓋對(duì)SINR的影響非常明顯，6dB范圍內(nèi)的重疊信號(hào)數(shù)越多，其平均SINR值與最大SINR估計(jì)值越低，在重疊覆蓋度為1的情況下，平均SINR為12.78dB，每增加一個(gè)重疊覆蓋小區(qū)，SINR下降40%以上。
【關(guān)鍵詞】超深基坑，排樁內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)
隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市有限的地上空間越來越不能滿足城市發(fā)展的需要，開發(fā)城市地下空間成為解決這一矛盾的重要途徑。另一方面，隨著建筑高度的不斷增加，建筑基礎(chǔ)的埋置深度也在不斷的增加?；庸こ坛霈F(xiàn)兩個(gè)明顯的趨勢(shì)：基坑深度越來越大，工程環(huán)境越來越復(fù)雜?；迎h(huán)境保護(hù)的要求在不斷的提高，同時(shí)基坑失效事故所帶來的危害也越來越嚴(yán)重。如何確保在城市密集的建成區(qū)深基坑工程的施工安全和環(huán)境安全成為工程技術(shù)人員必須面對(duì)的課題。
本文結(jié)合青島海景公寓深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)巖土層開挖超深基坑中排樁內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。
1工程介紹
1.1工程概況。擬建工程場(chǎng)區(qū)位于青島市香港東路南側(cè)，國(guó)家級(jí)旅游勝地―――青島市老人海水浴場(chǎng)以北，青島啤酒城正南。設(shè)計(jì)單位提供的擬建物特征：地上30層，高99.80 m；地下4層，層高3.9 m～5.1m，層總高12.20m。現(xiàn)場(chǎng)自然地坪高-0.25m。平面尺寸為66m×45m?；?xùn)|側(cè)多為2層，7層磚混結(jié)構(gòu)，距用地紅線最近約為5.0m。基坑南側(cè)和西側(cè)均為磚混建筑結(jié)構(gòu)，基坑北側(cè)主要為道路和市政管線，用地紅線距香港東路紅線最近約為15.4m
1.2工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件。本場(chǎng)區(qū)內(nèi)地形平坦，位于濱海平原地貌單元，第四系較發(fā)育。基坑自上而下依次穿越素填土、粉砂、淤泥質(zhì)粉砂、粉質(zhì)黏土、粗砂、粉質(zhì)黏土、角礫，基地位于強(qiáng)風(fēng)化巖層。支護(hù)體系的選用要遵循安全、經(jīng)濟(jì)、方便施工及因地制宜的總原則。一般要綜合考慮場(chǎng)地條件、基坑開挖深度和范圍、地質(zhì)條件以及地下水情況等幾個(gè)方面做出選擇。根據(jù)本工程地層地質(zhì)情況和周圍環(huán)境要求，初步擬定圍護(hù)方案為排樁內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)：鉆孔灌注樁的直徑為1 200mm，樁間距為1 500mm，樁長(zhǎng)23.4m，自上而下分別在標(biāo)高-2.65m，-6.50m，-10.40m，-15.50m處設(shè)置四道支撐。
2排樁內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究
目前內(nèi)支撐體系結(jié)構(gòu)計(jì)算方法主要分為三類：簡(jiǎn)化計(jì)算方法、平面整體分析和空間整體分析。本文中采用的是平面整體分析的方法，即將支撐桿件、腰梁作為一個(gè)整體，視為一個(gè)平面體系，設(shè)置若干支座，借助大型有限元分析軟件SAP 2000進(jìn)行分析，得出支撐體系的內(nèi)力與變形，最終設(shè)計(jì)出各構(gòu)件的截面。
利用SAP2000對(duì)內(nèi)支撐體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大體上分為以下幾步：
1）定義軸網(wǎng)類型。2）定義材料屬性和截面。本文研究的內(nèi)支撐為現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐，支撐截面均為矩形。3）繪制構(gòu)件。將每一層支撐看作一個(gè)平面桁架，選用線單元來模擬這一桁架。4）指定節(jié)點(diǎn)約束。分不同工況對(duì)該平面桁架施加約束。例如：兩鄰邊約束、對(duì)邊約束等。5）荷載工況。在內(nèi)支撐計(jì)算中考慮靜力荷載工況。6）分析工況。根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)約束，分不同工況對(duì)模型進(jìn)行分析，得出不同工況下內(nèi)支撐的內(nèi)力，包括彎矩，剪力和軸向力。7）找出最不利情況下的內(nèi)力，對(duì)支撐體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3A―A剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1排樁體系設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)前面提出的排樁內(nèi)支撐體系的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以基坑?xùn)|側(cè)A―A剖面為例，對(duì)排樁體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。考慮工況，分段采用等值梁法計(jì)算排樁內(nèi)力和各道支撐力，計(jì)算結(jié)果見表2。
表2 等值梁法計(jì)算結(jié)果
工況工況一工況二工況三工況四
Mmax/kN?m 173.0 324.5 658.0 986.0
T/kN 109.3 149.9 514.2 643.3
按各工況求得的墻上彎矩作出彎矩包絡(luò)圖，計(jì)算排樁配筋，計(jì)算結(jié)果見表3，按求得的支撐力設(shè)計(jì)各道支撐和圍檁。
表3 排樁體系設(shè)計(jì)參數(shù)
參數(shù)樁徑/mm樁長(zhǎng)/m嵌固深度/m受力主筋箍筋
A―A 1 200 24.6 4標(biāo)高10.4 m范圍內(nèi)：2828標(biāo)高24.6 m范圍內(nèi)：323220@1 500
3.2內(nèi)支撐體系的設(shè)計(jì)計(jì)算
內(nèi)支撐系統(tǒng)由四道平面支撐和立柱組成。每道支撐包括環(huán)梁、腰梁和支撐桿。不同地質(zhì)剖面計(jì)算求出的支撐系統(tǒng)需要提供的支護(hù)抗力是不同的，設(shè)計(jì)支撐系統(tǒng)時(shí)按所需最大支護(hù)抗力計(jì)算，第一，二道取N=353kN/m，第三，四道取N=571 kN/m，支護(hù)抗力較小側(cè)將由基坑外側(cè)的被動(dòng)土壓力平衡。
根據(jù)約束條件的不同，分四種不同支撐條件對(duì)支撐體系進(jìn)行分析：1）X向兩鉸：即沿X方向在環(huán)梁的兩端設(shè)置固定支座；2）兩鄰邊固定1：將支撐體系的南側(cè)與西側(cè)的支座設(shè)置為固定支座；3）兩鄰邊固定2：將支撐體系的北側(cè)與東側(cè)的支座設(shè)置為固定支座；4）全鉸：將環(huán)梁的約束全部設(shè)置為固定支座。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果分析比較得出：1）在X向雙鉸的支撐條件下，環(huán)梁的彎矩最大，支撐桿件的軸力最大；2）在將支撐體系的南側(cè)與西側(cè)的支座設(shè)置為固定支座的支撐條件下，腰梁的彎矩最大。在內(nèi)支撐體系中，支撐桿件和環(huán)梁是主要的控制構(gòu)件，因此考慮選用第一種支撐條件下各構(gòu)件的最不利內(nèi)力組合來對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行截面和配筋計(jì)算。
