Грант РФФИ № 18-08-00567
ФГБОУ ВО «БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Грант РФФИ № 18-08-00567

 

Информация по гранту РФФИ № 18-08-00567 «Оптимизация несущих систем по топологии, параметрам, режимам многократного предварительного напряжения и последовательности приложения полезных нагрузок»

 

Научный руководитель:

Д.т.н., профессор Серпик И.Н.

 

Основные исполнители:

К.т.н., доцент Мироненко И.В.

Инженер, выпускник аспирантуры Муймаров К.В.

Ст. преподаватель, аспирант Тарасова Н.В.

К.т.н., доцент Швачко С.Н.

 

Аннотация к проекту

Проект направлен на решение актуальной задачи оптимального проектирования предварительно напряженных конструктивных систем с обеспечением комплексного выбора топологии, размеров, марок материалов, схем и сил преднапряжения, порядка чередования этапов преднапряжения и приложения долей полезной нагрузки. В ограничениях задачи должны быть в общем случае учтены конструктивные и технологические требования, условия геометрической неизменяемости, прочности, жесткости, устойчивости, трещиностойкости, а также обеспечение живучести объектов при возможных аварийных ситуациях, приводящих к локальным разрушениям. Предусматривается разработать новые фундаментальные положения оптимизации несущих систем, включая высокопроизводительную эволюционную стратегию проектирования деформируемых тел, эффективно учитывающую большое число сложных ограничений без введения штрафных функций; методологию варьирования структур, параметров и воздействий в условиях многоступенчатого преднапряжения; алгоритм единой вычислительной схемы для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций по заданному плану преднапряжений и приложения полезной нагрузки; метод оценки нагруженности объектов после повреждения элемента, используемого для преднапряжения; методологию учета в процессе оптимального поиска возможных локальных разрушений предварительно напряженной системы. Планируется проверка работоспособности предлагаемых подходов на тестовых задачах, а также примерах оптимального синтеза реальных несущих систем для стальных рам и большепролетных ферм; железобетонных балок, рам и плит. Результаты выполнения проекта могут быть использованы для оптимального проектирования предварительно напряженных конструктивных систем в строительстве, машиностроении, авиастроении, кораблестроении и других областях техники. Особенно важно применение таких методов оптимизации при разработке уникальных сооружений, в том числе большепролетных конструкций.

 

Ключевые слова

Предварительно напряженные конструкции, оптимизация, топология, параметры, стальные и железобетонные системы, балки, рамы, фермы, плиты, эволюционное моделирование, генетические алгоритмы, аварийные ситуации, живучесть

 

Полученные в 2018 г. наиболее важные результаты

 

1. Поставлены задачи оптимального проектирования предварительно напряженных конструктивных систем. Рассматриваются стальные стержневые конструкции, железобетонные рамы и плиты. Минимизируется стоимость объектов. На данном этапе исследований подробно проработан вопрос оптимизации стальных стержневых систем, предварительно напряженных с помощью высокопрочных канатов, с учетом действия нормативных нагрузок. Для этой проблемы в общем случае предусмотрен выбор топологии, размеров, марок материалов, а также определение режимов преднапряжений. Сформулирована обобщенная стратегия избыточности для структур основных конструктивных элементов, схем преднапряжений, вариантов последовательности силовых воздействий различных типов. При этом математическая формулировка проблемы сводится к параметрической оптимизации. Ограничения задачи включают удовлетворение нормативных требований по прочности, жесткости и устойчивости несущей системы. До настоящего времени решение таких комплексных задач в рамках единого вычислительного процесса в научной литературе не рассматривалось.

2. Разработана методология расчета напряженно-деформированного состояния стальных стержневых систем, предварительно напрягаемых с помощью высокопрочных канатов. Принимается во внимание возможность многократных воздействий в виде сил тяжести конструкции, преднапряжений и полезных нагрузок, в том числе пошагового преднапряжения любой из затяжек. Полагается, что до окончания последнего преднапряжения объект можно для каждого воздействия рассчитывать в линейной постановке. В то же время учитывается конструктивная нелинейность, связанная с изменением структуры несущей системы при введении каждой новой затяжки. Осуществляется конечно-элементное моделирование с помощью метода перемещений. Принимается во внимание как возможность преднапряжения на конструкцию, так и на упоры. Для учета преднапрежения каната используется процедура условного отрицательного изменения его температуры. При натяжении на конструкцию данное воздействие рассчитывается в рамках двух шагов. На первом шаге выполняется расчет с анализом влияния на объект некоторого пробного изменения температуры. На втором шаге это воздействие корректируется на основе полученных для первого шага данных о реакции конструкции на натяжение рассматриваемого каната, и расчет повторяется. В результате отражаются условия преднапряжения с учетом деформирования и основных элементов конструкции, и всех уже включенных в несущую систему затяжек. При натяжении на упоры достаточно выполнить один шаг такого расчета с подбором изменения температуры по величине силы преднапряжения. Данная процедура реализована на ЭВМ с получением результатов на каждом из этапов воздействий. Особенностью представляемого алгоритма, по сравнению с изложенными в литературе подходами к анализу работы предварительно напряженных систем, является возможность полностью автоматического нахождения внутренних силовых факторов в элементах несущей системы в соответствии с заданным планом силовых воздействий.

3. Разработана новая метаэвристическая методология параметрической и структурно-параметрической оптимизации несущих конструкций, позволяющая эффективно учитывать большое число ограничений в виде неравенств. Данный подход основан на предложенной руководителем проекта стратегии оптимального проектирования, инспирированной поиском рабочего места. Процесс получения минимального или максимального значения целевой функции при заданных ограничениях ставится в соответствие с вариантом поведения человека, ищущего работу с наибольшим окладом при удовлетворении своих предпочтений и требований работодателей. Главной особенностью этой стратегии является чередование движений как по значению целевой функции, так и по степени работоспособности конструктивных решений. Вводится промежуточная цель поиска, связанная с повышением с точки зрения поставленных ограничений уровня работоспособности объекта, соответствующего текущим требованиям к исходной целевой функции. Как только в этих условиях удается получить вариант конструкции, удовлетворяющий ограничениям задачи, условие по значению целевой функции переопределяется. Такая техника не требует введения штрафных функций, что обеспечивает строгий учет ограничений в любом запуске алгоритма, повышение стабильности получаемых результатов и нахождение эффективных решений. Сформулирован алгоритм, сочетающий стратегию поиска рабочего места с генетическими операциями мутации, селекции и кроссинговера. При этом проект несущей системы интерпретируется и как вакансия рабочего места, и как особь популяции. Сравнение проектов, полученных для ряда оптимизационных задач на основе такого подхода, с данными из литературных источников показали, что представляемая стратегия имеет высокую эффективность с точки зрения результатов поиска.

4. Разработан и реализован на ЭВМ алгоритм оптимального проектирования стальных стержневых конструкций, подвергаемых предварительному напряжению с помощью высокопрочных затяжек, на основе предложенной ранее руководителем проекта смешанной метаэвристической схемы эволюционного моделирования. Рассматривается минимизация стоимости объекта в деле. Предусмотрена возможность варьирования на дискретных множествах топологий основной несущей системы и затяжек, марок стали, последовательности преднапряжения и приложения полезных нагрузок, сил предварительного напряжения, профилей стержней и площадей поперечных сечений затяжек. Учитываются активные ограничения по геометрической неизменяемости, прочности, жесткости и устойчивости. Конструктивные и технологические требования принимаются во внимание при задании избыточных структур и множеств допустимых значений параметров. Главной особенностью представляемого алгоритма является система варьирования переменных, обеспечивающая возможность реального проектирования в рамках достаточно сложной оптимизационной проблемы. Задается множество допустимых сценариев воздействий по избыточному шаблону, предусматривающему учет сил тяжести конструкции и чередование подмножеств воздействий в виде долей полезных нагрузок и преднапряжений канатов. При этом для воздействия, связанного с преднапряжением затяжки, вводится множество пар чисел, каждая из которых включает площадь поперечного сечения каната и приращение силы его натяжения.

5. Работоспособность предлагаемых вычислительных схем подтверждена на примерах решения ряда конкретных задач. Анализ возможностей стратегии, инспирированной поиском рабочего места, выполнялся на основе рассмотрения параметрической и структурно-параметрической оптимизации плоских и пространственных ферм. Алгоритм оптимального проектирования предварительно напряженных стальных систем тестировался на ряде примеров плоских ферм типа арки с затяжками пролетами 60 и 72 м.

 

Библиографический список работ по проекту, подготовленных в 2018 г.

 1. Серпик, И.Н. Оптимизация предварительно напряженных стальных ферм с использованием эволюционного поиска / И.Н. Серпик, Н.В. Тарасова // Строительная механика и расчет сооружений. – 2019. – № 1 (282). – С. 58-64.

2. Серпик, И.Н. Оптимизация железобетонных конструкций на основе эволюционного поиска: Монография / И.Н. Серпик, И.В. Мироненко, К.В. Муймаров, С.Н. Швачко. – Брянск, 2018. – 200 c.

3. Serpik, I.N. Optimization of steel frame building systems in terms of parameters and reliability requirements / I.N. Serpik, A.V. Alekseytsev // 2018 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 365 052003.

4. Serpik, I.N. Refinement of the accounting methodology of bi-moments transfer at the junctions of the I-section bars / I.N. Serpik, R. Shkolyarenko // 2018 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 365 042011.

5. Серпик, И.Н. Расчет систем тонкостенных стержней корытообразного профиля с учетом стесненного кручения / И.Н. Серпик, Р.О. Школяренко // Строительство и реконструкция. – 2018. – № 4 (78). – C. 31-41.

6. Серпик, И.Н. Оптимизация стальных плоских ферм по структуре и параметрам на основе стратегии поиска рабочего места / И.Н. Серпик // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2019. – №1. – С. 92-100.

7. Серпик, И.Н. Оптимизация предварительно напряженных стальных ферм типа арки с затяжками / И.Н. Серпик, Н.В. Тарасова // Инновации в строительстве. – 2018: Матер. междунар. науч.-практ. конф. – Брянск: БГИТУ, 2018. – С. 111-116.

8. Серпик, И.Н. Оптимизация поперечных стальных рам каркасов зданий на основе эволюционного моделирования / И.Н. Серпик, А.С. Терешин // Инновации в строительстве. – 2018: Матер. междунар. науч.-практ. конф. – Брянск: БГИТУ, 2018. – С. 116-120.

9. Швачко, С.Н. Численное моделирование узла опирания предварительно напряженной многопустотной плиты перекрытия на сборно-монолитный ригель в двухмерной постановке / С.Н. Швачко, П.В. Стручков // Инновации в строительстве. – 2018: Матер. междунар. науч.-практ. конф. – Брянск: БГИТУ, 2018. – С. 132-136.

10. Serpik, I.N. Parametric optimization of pre-stressed steel arch-shaped trusses with ties / I.N. Serpik, N.V. Tarasova // 2018 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 451 012060.

11. Serpik, I.N. Discrete size and shape optimization of truss structures based on job search inspired strategy and genetic operations / I.N. Serpik // Periodica Polytechnica Civil Engineering. (На рецензии)