遺傳算法在阻尼器優(yōu)化布置中的應(yīng)用探討

黃文佳

成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614000

1 遺傳算法的簡(jiǎn)述

在很多的工程優(yōu)化中，常約束條件繁瑣，僅僅通過(guò)傳統(tǒng)優(yōu)化算法是難以解決的。進(jìn)而許多學(xué)者基于自然界生物進(jìn)化原則，提出了解決優(yōu)化問(wèn)題有效的方法——遺傳算法。遺傳算法由教授Holland提出，它通過(guò)模擬物種進(jìn)化，經(jīng)選優(yōu)淘劣而產(chǎn)生的一種解決繁瑣優(yōu)化問(wèn)題的任意搜索方式。遺傳算法主要以交叉、選擇、變異三個(gè)基本步驟為基礎(chǔ)，通過(guò)約束條件和目標(biāo)函數(shù)的確定進(jìn)行逐代尋優(yōu)，直到得出符合要求的種群為止，從而得到最優(yōu)化的解。其在解答優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，對(duì)目標(biāo)函數(shù)的梯度信息不依賴(lài)，具有本質(zhì)并行性的性質(zhì)，且對(duì)達(dá)到阻尼器的優(yōu)化位置有效，因而在工程中得到廣泛使用。

2 阻尼器的優(yōu)化布置研究現(xiàn)狀

隨著地震的多發(fā)，減隔振技術(shù)已作為先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于各建筑結(jié)構(gòu)中，其中附設(shè)阻尼器是其中的一種有效手段。但當(dāng)結(jié)構(gòu)樓層數(shù)的增加，抗震性能要求的提高，對(duì)阻尼器的優(yōu)化布置成為了一研究熱點(diǎn)。合理地布置阻尼器，優(yōu)化阻尼器的位置，可以有效提高抗震性能。目前，在建筑物中合理確定阻尼器的位置，常采用的方法為遺傳算法［1］。

陽(yáng)光，黃真等人以平面桁架為例，基于遺傳算法對(duì)其結(jié)構(gòu)中阻尼器的合理布置進(jìn)行研究，得出其計(jì)算方法與程序的正確性，且給出了阻尼器合理位置的建議。

李宏男，曲激婷等人就阻尼器優(yōu)化布置提出了一種以遺傳算法為基礎(chǔ)的新型數(shù)學(xué)模型，在阻尼器的數(shù)目一定時(shí)，考慮到不同場(chǎng)地條件下，分別就速度型和位移型的阻尼器采取優(yōu)化布置，確定了多種系數(shù)組合下的加權(quán)系數(shù)的最優(yōu)組合。經(jīng)對(duì)不同形式的阻尼器優(yōu)化位置的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，為實(shí)際工程中應(yīng)用提供了參考價(jià)值。

楊貝貝等人主要將魚(yú)群算法和遺傳算法進(jìn)行結(jié)合，以相對(duì)誤差和魯棒性作為優(yōu)化指標(biāo)，形成一種改進(jìn)的遺傳算法，通過(guò)兩個(gè)典型函數(shù)對(duì)改算法進(jìn)行驗(yàn)證。再把建筑結(jié)構(gòu)中梁柱的最小造價(jià)費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)對(duì)約束條件與待優(yōu)化的變量的設(shè)定，創(chuàng)建梁柱的優(yōu)化模型，最后將優(yōu)化程序應(yīng)用于一個(gè)五層鋼混框架結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了該算法的可行性，且對(duì)工程造價(jià)有所降低。

文獻(xiàn)［2］主要對(duì)鋼混框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻尼器的優(yōu)化布置，以反應(yīng)譜確定的目標(biāo)函數(shù)為基礎(chǔ)，在阻尼器數(shù)目一定的情況下，利用 MATLAB遺傳算法與直接搜索工具箱對(duì)中高層建筑的阻尼器數(shù)量進(jìn)行搜索，得出不同的目標(biāo)函數(shù)下的地震響應(yīng)情況，說(shuō)明該方法在結(jié)構(gòu)阻尼器的優(yōu)化布置中可行，便捷且效果良好。

文獻(xiàn)［3］主要利用編制目標(biāo)函數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)的改進(jìn)遺傳算法來(lái)對(duì)機(jī)庫(kù)柱間消能支撐裝置進(jìn)行優(yōu)化布置，并通過(guò)設(shè)置不同的適應(yīng)度函數(shù)來(lái)對(duì)機(jī)庫(kù)的抗震效能進(jìn)行分析，得出改進(jìn)遺傳算法對(duì)機(jī)庫(kù)減震位置優(yōu)化有效。

燕樂(lè)緯，陳洋洋等人依次提出了應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)中基于相對(duì)適應(yīng)度和數(shù)字序列編碼遺傳算法的阻尼器優(yōu)化布置的方法，前一種方法主要提出了改進(jìn)的目標(biāo)函數(shù)，確定了不同加權(quán)系數(shù)組合下的最優(yōu)解，后一種方法主要采用數(shù)字序列編碼，可解決各層安放阻尼器的數(shù)目不相同時(shí)的問(wèn)題。這兩種方法可促進(jìn)種群的進(jìn)化，得到全局的最優(yōu)解，且通過(guò)算例得出了阻尼器的優(yōu)化布置方案。

文獻(xiàn)［4］主要利用MATLABS實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS數(shù)據(jù)的處理，并以桁架結(jié)構(gòu)為例，以滿足受力及位移條件的桿件重量進(jìn)行優(yōu)化分析，驗(yàn)證基于ANSYS的遺傳算法可行且效果良好。再對(duì)兩跨五層鋼混框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以截面尺寸及配筋作為設(shè)計(jì)變量、以總造價(jià)為目標(biāo)函數(shù)，使用該方法與 FMINCON非線性耦合進(jìn)行優(yōu)化分析。結(jié)果得出采用該算法進(jìn)行優(yōu)化可節(jié)約造價(jià)、降低成本，且操作方便、應(yīng)用范圍廣，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)解決復(fù)雜工程技術(shù)問(wèn)題提供條件。

3 阻尼器的優(yōu)化布置建議和展望

目前，基于遺傳算法的阻尼器優(yōu)化布置主要體現(xiàn)在以抗震性能的提高為基礎(chǔ)，而阻尼器的數(shù)量是一定的情況下。而本文根據(jù)已有研究提出以下建議與展望：

（1）為更好地把控建筑物在地震響應(yīng)下影響，可將消能裝置的安裝方式和阻尼器位置之間關(guān)系納入到阻尼器優(yōu)化布置中，將其作為遺傳算法的尋優(yōu)目標(biāo)。

（2）當(dāng)前關(guān)于遺傳算法的研究主要體現(xiàn)在解決工程優(yōu)化時(shí)早熟等現(xiàn)象，而阻尼器的個(gè)數(shù)，即尼器數(shù)量未考慮到造價(jià)成本中，在同時(shí)保證成本和抗震性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)阻尼器的優(yōu)化，是遺傳算法改進(jìn)的一方向。

（3）為了利用阻尼器的工程應(yīng)用，提高建筑的抗震性能，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)于阻尼器的理論與規(guī)范的規(guī)定，并可把遺傳算法下阻尼器優(yōu)化研究與實(shí)實(shí)際工程相結(jié)合。

4 結(jié)論

阻尼器作為一種消能減震裝置，技術(shù)已較成熟。但其成本較高，為控制其成本，合理布置阻尼器是非常有必要的。采用遺傳算法可以有效的實(shí)現(xiàn)阻尼器的優(yōu)化布置，同時(shí)通過(guò)編碼、目標(biāo)函數(shù)、適應(yīng)度函數(shù)的確定實(shí)現(xiàn)遺傳算法的改進(jìn)，不僅可以改進(jìn)傳統(tǒng)遺傳算法不足，而且能實(shí)現(xiàn)阻尼器的優(yōu)化布置，在保證造價(jià)的同時(shí)，提高抗震性能，對(duì)工程實(shí)踐的應(yīng)該提供的研究?jī)r(jià)值。