• ISSN 0258-2724
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基于多机制融合PGSA的弦支穹顶结构预应力优化

姜正荣 苏昌旺 石开荣 周梓杰

姜正荣, 苏昌旺, 石开荣, 周梓杰. 基于多机制融合PGSA的弦支穹顶结构预应力优化[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240023
引用本文: 姜正荣, 苏昌旺, 石开荣, 周梓杰. 基于多机制融合PGSA的弦支穹顶结构预应力优化[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240023
JIANG Zhengrong, SU Changwang, SHI Kairong, ZHOU Zijie. Prestress Optimization of Suspended Domes with Plant Growth Simulation Algorithm Based on Multi-Mechanism Fusion[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240023
Citation: JIANG Zhengrong, SU Changwang, SHI Kairong, ZHOU Zijie. Prestress Optimization of Suspended Domes with Plant Growth Simulation Algorithm Based on Multi-Mechanism Fusion[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240023

基于多机制融合PGSA的弦支穹顶结构预应力优化

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240023
基金项目: 广东省现代土木工程技术重点实验室课题(2021B1212040003)
详细信息
    作者简介:

    姜正荣(1971—),男,副教授,博士,研究方向为大跨度空间结构,E-mail:zhrjiang@scut.edu.cn

    通讯作者:

    石开荣(1978—),男,副教授,博士,研究方向为预应力钢结构,E-mail:krshi@scut.edu.cn

  • 中图分类号: TU394

Prestress Optimization of Suspended Domes with Plant Growth Simulation Algorithm Based on Multi-Mechanism Fusion

  • 摘要:

    针对模拟植物生长算法(PGSA)以固定步长搜索难以收敛于全局最优解、对初始生长点选取依赖性强和生长空间巨大的局限性,提出自适应变步长搜索、高斯扰动变异和生长空间筛选3种机制的新策略,建立基于多机制融合的模拟植物生长算法(多机制融合PGSA),进一步采用多机制融合PGSA对弦支穹顶结构进行预应力优化,并与其他优化算法进行对比. 结果表明:与原PGSA相比,引入自适应变步长搜索机制,可避免算法陷入局部最优解,引入高斯扰动变异机制,可解决由于初始生长点的选取不当而造成优化结果不佳的问题,引入生长空间筛选机制,可在算法收敛后有效终止生长,显著缩小生长空间(降幅最大达97.64%);与其他优化算法相比,多机制融合PGSA的迭代次数最少(仅为45次),且优化得到的支座平均水平径向反力绝对值最小(仅为0.004 kN),验证了该算法的适用性.

     

  • 图 1  形态素浓度概率饼状图

    Figure 1.  Probability pie chart of morphactin concentration

    图 2  Rastrigin函数三维视图

    Figure 2.  Three-dimensional view of Rastrigin function

    图 3  仅引入自适应变步长搜索机制的PGSA优化过程

    Figure 3.  PGSA optimization process introducing searching mechanism of adaptive variable step only

    图 4  仅引入高斯扰动变异机制的PGSA优化过程

    Figure 4.  PGSA optimization process introducing Gauss perturbation mutation mechanism only

    图 5  引入生长空间筛选机制的PGSA优化过程

    Figure 5.  PGSA optimization process introducing screening mechanism of growth space

    图 6  Ackley函数三维视图

    Figure 6.  Three-dimensional view of Ackley function

    图 7  多机制融合PGSA优化过程

    Figure 7.  Optimization process of multi-mechanism fusion PGSA

    图 8  优化模型

    Figure 8.  Optimal model

    图 9  不同算法的优化过程

    Figure 9.  Optimization processes of different algorithms

    表  1  仅引入自适应变步长搜索机制的PGSA优化结果

    Table  1.   PGSA optimization results introducing searching mechanism of adaptive variable step only

    算法 收敛生长次数/次 优化结果 寻优耗时/s 生长空间
    O 不收敛 18.00 60.742 6012 × 3
    A 7 0 301.199 24562 × 3
    注:算法O、A分别对应于图3中的原PGSA、自适应变步长PGSA
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    表  2  仅引入高斯扰动变异机制的PGSA优化结果

    Table  2.   PGSA optimization results introducing Gauss perturbation mutation mechanism only

    算法 初始生长点 收敛生长次数/次 优化结果 寻优耗时/s 生长空间
    O $ {x_j} = 3.6 $ 不收敛 18.00 60.742 6012 × 3
    B1 $ {x_j} = 3.6 $ 15 0 658.209 28472 × 3
    B2 $ {x_j} = 3.0 $ 14 0 681.205 29081 × 3
    B3 $ {x_j} = 2.6 $ 14 0 849.400 28687 × 3
    B4 $ {x_j} = - 3.6 $ 16 0 601.005 28286 × 3
    注:算法B1~B4分别对应于图4中的高斯扰动变异PGSA1~PGSA4
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    表  3  引入生长空间筛选机制的PGSA优化结果

    Table  3.   PGSA optimization results introducing screening mechanism of growth space

    算法 收敛生长次数 优化结果 寻优耗时/s 生长空间
    O 不收敛 18.00 60.742 6012 × 3
    C 265 0 2.767 746 × 3
    C + A 8 0 0.051 142 × 3
    C + B 11 0 0.244 533 × 3
    注:算法C、C + A和C + B分别对应于图5中的生长空间筛选PGSA、生长空间筛选 + 自适应变步长PGSA和生长空间筛选 + 高斯扰动变异PGSA
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    表  4  多机制融合PGSA优化结果

    Table  4.   Optimization results of multi-mechanism fusion PGSA

    算法 收敛生长次数/次 寻优效果 寻优耗时/s 生长空间
    R-O 不收敛 18.00 60.742 6012 × 3
    R-A+B+C 10 0.00 0.185 489 × 3
    Ac-O 85 0.00 45.011 4746 × 3
    Ac-A+B+C 11 0.00 0.279 644 × 3
    注:算法R-A+B+C、Ac-A+B+C分别对应于图7中的R-多机制融合PGSA、Ac-多机制融合PGSA
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    表  5  构件和材料规格

    Table  5.   Specifications of members and materials

    结构部位 构件 材质 规格
    上部单层
    网壳
    凯威特
    部分
    径向杆 Q355B ϕ245 × 14
    环向杆 Q355B ϕ245 × 14
    斜杆 Q355B ϕ219 × 12
    联方
    部分
    环向杆 Q355B ϕ219 × 12
    斜杆 Q355B ϕ203 × 12
    下部索杆
    体系
    撑杆 Q355B ϕ180 × 8
    环向索 内圈 平行钢丝束,1670 ϕ5 × 61
    中圈 平行钢丝束,1670 ϕ5 × 91
    外圈 平行钢丝束,1670 ϕ5 × 139
    径向索 平行钢丝束,1670 ϕ5 × 55
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    表  6  不同优化算法的关键参数设定

    Table  6.   Key parameter setting for different optimization algorithms

    算法 关键参数
    原 PGSA 步长为 5,Kmax =1000
    多机制融合PGSA dmin=0.1,d0=50,Kmax =1000s=0.3,Cs=100
    PSO 粒子个数为 10,惯性权重和全局增量均为 0.9
    ASA 初始温度为 1.0,退火相对速率为 1.0,最大收敛步数为 5
    MIGA 子群规模为 10,交叉概率为 1.0,变异概率为 0.01
    Pointer 任务时间为 1,失败点的罚值和目标值均为1.0×1030
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-12
  • 修回日期:  2024-06-13
  • 网络出版日期:  2025-10-15

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