بهینه سازی دکل های بلند مهار شده با الگوریتم های ژنتیکی

چکیده

1. مقدمه

2. مسئله ی ایده آل سازی و بهینه سازی

3. فرمول بندی مسئله

4. روش بهینه سازی و اجرای GA

1.4. الگوریتم آزمایشات عددی

2.4. اجرای GA

5. کاربرد عددی

6. نتیجه گیری





 

هدف از این مقاله تشریح روش بهینه سازی ترکیبی اندازه-توپولوژی دکلهای بلند مهار شده، با حداقل وزن دکل و بااستفاده از الگوریتم های ژنتیکی تصادفی است. با توجه به ارتفاع، شکل هندسی و طرحهای مهاربندی دکل، داده های مواد و بارگذاری، روش بهینه سازی طرح روشنی از دکل مانند ابعاد تمام اجزای دکل، نقاط اتصال مهارها، فاصله ی فنداسیون مهارها از دکل و غیره بدست می دهد. محدودیت های مسئله طبق کدهای اروپایی شامل استحکام معمول، رعنایی و پایداری داخلی و کلی هستند. مقدار تابع هدف بدست می آید و تمام محدودیتها از طریق تحلیل آماری با یک برنامه ی المان محدود بررسی می شوند. تأثیر مهارها بر رفتار دکل با فنرهای خطی شبیه سازی می شود. طرح بدست آمده می تواند اشاره ای به تحلیل دینامیک غیرخطی دقیق تر باشد. در این مقاله نتایج بهینه سازی یک دکل آنتن رادیوی واقعی 50 متری با دو خوشه از مهارها ارائه می شود.

غالباً از برجهای مهار شده برای تقویت آنتنهای ارتباط از راه دور استفاده می شود. این برجها از یک دکل بلند باریک تشکیل شده اند که این دکل از پهلو بوسیله ی چند دسته از مهارهای مورب از پیش کشیده شده ی متصل به چند تراز موجود در امتدادش حمایت می شوند. مهارهای اطراف دکل معمولاً در زوایای یکسانی از هم فاصله دارند. بهینه سازی این سازه های می تواند کار دشواری باشد چون رفتار سازه ای برجهای مهار شده بدلیل غیرخطی بودن ذاتی مهارها پیچیده است و باد متلاطم بارگذاری غالبی است که اساساً طرح برجها را تعیین می کند. علیرغم اینکه چند طرح نمونه در روش مهندسی رایج هستند(مثلاً، به شکلهای 1 و 2 نگاه کنید: طرح مثلثی سطح مقطع افقی دکل، مهاربندی مثلثی با پشت بندهای پهلویی در سطوح اتصال مهارها و غیره)، برای بهینه سازی طرح برجی که درصدد حفظ تمام شرایط ایمنی و تعمیرپذیری ضمن حفظ حداقل جرم کل سازه است می توان عوامل زیادی را انتخاب کرد. مثلاً، مجموعه متغیرهای طرح می تواند شامل تعداد خوشه های مهارها، ارتفاع نقاط اتصالشان در امتداد ارتفاع دکل، ضرایب پیش کشیدگی در مهارها، فواصل فنداسیونهای مهارها را محور دکل، پهنای دکل در سطح مقطع، ارتفاع مقطع نمونه ی دکل و درنهایت، تمام ابعاد اجزای دکل باشد. چنین مسئله ی بهینه سازی را می توان بعنوان بهینه سازی ترکیبی توپولوژِی-اندازه دسته بندی کرد. بدیهی است که نمی توان تابع هدف را به شکل بسته ای از متغیرهای طرح بیان کرد. علاوه براین، این تابع می تواند نمایانگر تعداد زیادی از نقاط کمینه ی داخلی باشد؛ بنابراین به روشهای بهینه سازی جهانی نیاز است که بتوانند یک مینیمم کلی یا حداقل یک راه حل منطقی پیدا کنند. در صورت کاربرد بیش از چند متغیر طرح، فقط الگوریتمهای تصادفی بهینه سازی جهانی می توانند نتایج مطلوبی ایجاد کنند. در سالهای متمادی، تلاش مهندسان در راستای بهینه سازی سازه های باریک بلندی بوده است که در معرض بارگذاری باد قرار دارند. بل و براون برجهای مهار شده را با روش بهینه سازی جهانی قطعی براساس الگوریتم شاخه و کران بهینه سازی کردند. اما، این فقط به نقاط بهینه ی داخلی منجر شد چون هر متغیر طرح بصورت جداگانه لحاظ شد. تورنتون و سایرین یک برنامه ی کامپیوتری را برای بهینه سازی انبوه برجها تحت شرایط بارهای استاتیک باد و محدودیتهای خمش طراحی کردند. آیز و سایرین با یوروکد 1 روشی را برای بهینه سازی برجهای فولادی در شرایط بارگذاری جنبشی باد پیشنهاد کردند. ونانزی و مترازی روش بهینه سازی چندهدفی را براساس الگوریتم آنیلکاری شبیه سازی شده ی تصادفی برای سازه های تحریک شده با باد طراحی کردند. تابع هدف شامل دو عامل متناقض بود: مجموعه مربعات جابجایی های گره ای و پهنای طرح سازه. اما مجموعه متغیرهای طرح تنها شامل سه عامل بود. بهینه سازی دکلها و برجها مسئله ی بهینه سازی جهانی پیچیده ای است. بنابراین، طراحی الگوریتمهای بهینه سازی تصادفی مسئله محور مؤثر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. ژنگ و لی بهینه سازی شکل و اندازه ی سازه ی برج انتقال نیرو را بااستفاده از الگوریتم کلنی مورچه(ACA) در دو سطح ترکیب کردند. لاه و لین از بهینه سازی دسته ذرات باینری اصلاح شده(PSO)برای بهینه سازی توپولوژی سازه های خرپا استفاده کردند و سپس اندازه و شکل اجزا را با بهینه سازی دسته ذرات جاذب و دافع بهینه سازی کردند. کاوه و تلاطاهری به این نتیجه رسیدند که PSO مؤثرتر از ACA و طرح جستجوی هارمونی برای بهینه سازی سازه های خرپاست. دنگ و سایرین و گاوو و لی برای بهینه سازی برجهای انتقال نیرو و دکلهای باریک شونده و نوک تیز چند تغییر مؤثر را در الگوریتم ژنتیکی پیشنهاد کردند. این مقاله مسئله ی بهینه سازی توپولوژِی-اندازه را برای دکلهای مهار شده بصورت یک مسئله ی بهینه سازی جهانی تک هدفی تک ترازی بااستفاده از الگوریتم ژنتیکی برای تعیین حداقل طرح وزنی ارائه می دهد. مجموعه متغیرهای طرح می تواند شامل 10 پارامتر مختلف باشد. الگوریتمهای ژنتیکی بدلیل کاراییشان در حوزه های مختلف کاربردهای مهندسی و سهولت اجرا انتخاب شده اند. مزیت دیگر این الگوریتمهای مشخصه ی تصادفی بودنشان است: مسئله ی بهینه سازی باید چند بار حل شود، هر بار بهینه سازی از یک نمونه ی تصادفی تشکیل شده از افراد شروع شود تا مانع تأثیر انحراف نتایج شود. این معمولاً منجر به چند نقطه ی بهینه با مقادیر تابع هدف مشابه اما توپولوژیهای مختلف دکل می شود؛ اکنون طراح می تواند توپولوژی مربوطه را انتخاب کند. مسائل دیگری مانند تغییرشکل پذیری کم دکل محدودیت های دشوار محسوب می شوند و با روش خطاسازی-در صورت عدم برقراری محدودیت یک جمله ی خطا به تابع هدف افزوده می شود- حل می شوند. بنابراین، یک طرح خطادار شانس کمی برای موفقیت دارد. بخشهای زیر به ایده آل سازی رفتار دکل و مسئله ی بهینه سازی می پردازند. سپس، روش بهینه سازی بطور کامل تشریح می شود. بعد، مقاله کاربرد عددی روش پیشنهادی را برای بررسی موردی دکل مهار شده ی دو ترازی در معرض باد متلاطم بررسی و تشریح می کند.