Thuật toán di truyền cải tiến với phương pháp xấp xỉ hai cấp cho tối ưu hóa cấu trúc khung

Structural and Multidisciplinary Optimization - Tập 49 Số 5 - Trang 795-814 - 2014
Li, Dongfang1, Chen, Shenyan1, Huang, Hai1
1Beihang University, Beijing, China

Tóm tắt

Tối ưu hóa cấu trúc khung bằng các thuật toán di truyền (GAs) thường yêu cầu chi phí tính toán lớn, đặc biệt là đối với các bài toán quy mô lớn. Để giảm thiểu số lần phân tích cấu trúc, một phương pháp GA với Xấp xỉ Hai cấp (GATA) đã được đề xuất trong một công trình trước đó và cho thấy hiệu suất tính toán tốt với số lần phân tích cấu trúc ít hơn. Tuy nhiên, phương pháp tối ưu hóa này dễ dàng hội tụ vào các điểm cực tiểu phụ và dẫn đến khả năng tìm kiếm cực tiểu toàn cục kém. Do đó, để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đề xuất một GA Cải tiến với Xấp xỉ Hai cấp (IGATA) bao gồm một số sửa đổi cho hàm xấp xỉ và GA đơn giản đã được phát triển trước đó. Một hàm Xấp xỉ Đa điểm Nhánh (BMA), có hiệu quả và không có điểm kỳ dị, được giới thiệu để xây dựng bài toán xấp xỉ cấp một. Một hàm phạt Lemonge đã được sửa đổi được áp dụng để tính toán độ thích nghi, trong khi một Chiến lược Lựa chọn Ưu tiên (ESS) được đề xuất nhằm nâng cao chất lượng của các điểm ban đầu. Kết quả từ các ví dụ số xác nhận chi phí tính toán thấp hơn của thuật toán tích hợp những sửa đổi này. Nhiều thí nghiệm số cho thấy độ tin cậy cao của IGATA với những giá trị phù hợp cho các tham số được xem xét.

Từ khóa

#Tối ưu hóa cấu trúc #thuật toán di truyền #xấp xỉ hai cấp #xấp xỉ đa điểm #chi phí tính toán thấp

Tài liệu tham khảo

Allison JT, Khetan A, Lohan D (2013) Managing variable-dimension structural optimization problems using generative algorithms. In: Proceedings of the 10th world congress on structural and multidisciplinary optimization, Orlando citation_journal_title=J Struct Eng; citation_title=Multiple optimum size/shape/topology designs for skeletal structures using a genetic algorithm; citation_author=RJ Balling, RR Briggs, K Gillman; citation_volume=132; citation_issue=7; citation_publication_date=2006; citation_pages=1158-1165; citation_doi=10.1061/(ASCE)0733-9445(2006)132:7(1158); citation_id=CR2 citation_journal_title=Inform Sci; citation_title=A new adaptive penalty scheme for genetic algorithms; citation_author=HJC Barbosa, ACC Lemonge; citation_volume=156; citation_issue=3–4; citation_publication_date=2003; citation_pages=215-251; citation_doi=10.1016/S0020-0255(03)00177-4; citation_id=CR3 citation_journal_title=Appl Soft Comput; citation_title=Weight minimization of trusses with genetic algorithm; citation_author=T Dede, S Bekiroğlu, Y Ayvaz; citation_volume=11; citation_issue=2; citation_publication_date=2011; citation_pages=2565-2575; citation_doi=10.1016/j.asoc.2010.10.006; citation_id=CR4 citation_journal_title=Res Eng Des; citation_title=Practical design optimization of truss structures using the genetic algorithms; citation_author=A Dominguez, I Stiharu, R Sedaghati; citation_volume=17; citation_issue=2; citation_publication_date=2006; citation_pages=73-84; citation_doi=10.1007/s00163-006-0020-8; citation_id=CR5 citation_journal_title=Chin J Comput Mech; citation_title=Truss topology optimization by using multi-point approximation and GA; citation_author=Y Dong, H Huang; citation_volume=21; citation_issue=6; citation_publication_date=2004; citation_pages=746-751; citation_id=CR6 citation_journal_title=Int J Solids Struct; citation_title=Genetic algorithms in truss topological optimization; citation_author=P Hajela, E Lee; citation_volume=32; citation_issue=22; citation_publication_date=1995; citation_pages=3341-3357; citation_doi=10.1016/0020-7683(94)00306-H; citation_id=CR7 citation_title=Study of heuristic methods for structural topology optimization; citation_publication_date=2011; citation_id=CR8; citation_author=L He; citation_publisher=Shanghai Jiao Tong University citation_journal_title=Eng Mech; citation_title=Topology optimization design for discrete structures using genetic algorithm; citation_author=J Huang, Z Wang; citation_volume=25; citation_issue=5; citation_publication_date=2008; citation_pages=32-38; citation_id=CR9 citation_journal_title=Struct Optim; citation_title=Two-level multipoint constraint approximation concept for structural optimization; citation_author=H Huang, RW Xia; citation_volume=9; citation_issue=1; citation_publication_date=1995; citation_pages=38-45; citation_doi=10.1007/BF01742643; citation_id=CR10 citation_journal_title=Mech Sci Technol Aero Eng; citation_title=Dynamic topology optimization of trusses with large interval parameters; citation_author=Z Jing, X Bin, X Decheng, L Xingping; citation_volume=28; citation_issue=11; citation_publication_date=2009; citation_pages=1491-1495; citation_id=CR11 citation_journal_title=Int J Numer Methods Eng; citation_title=Topology optimization of trusses using genetic algorithm, force method and graph theory; citation_author=A Kaveh, V Kalatjari; citation_volume=58; citation_issue=5; citation_publication_date=2003; citation_pages=771-791; citation_doi=10.1002/nme.800; citation_id=CR12 citation_journal_title=Struct Multidiscip Optim; citation_title=Truss topology optimization by a modified genetic algorithm; citation_author=H Kawamura, H Ohmori, N Kito; citation_volume=23; citation_issue=6; citation_publication_date=2002; citation_pages=467-473; citation_doi=10.1007/s00158-002-0208-0; citation_id=CR13 citation_journal_title=Comput Methods Appl Mech Eng; citation_title=Optimal topologies of truss structures; citation_author=U Kirsch; citation_volume=72; citation_issue=1; citation_publication_date=1989; citation_pages=15-28; citation_doi=10.1016/0045-7825(89)90119-9; citation_id=CR14 citation_journal_title=Struct Optim; citation_title=On singular topologies in optimum structural design; citation_author=U Kirsch; citation_volume=2; citation_issue=3; citation_publication_date=1990a; citation_pages=133-142; citation_doi=10.1007/BF01836562; citation_id=CR15 citation_journal_title=Struct Optim; citation_title=On the relationship between optimum structural topologies and geometries; citation_author=U Kirsch; citation_volume=2; citation_issue=1; citation_publication_date=1990b; citation_pages=39-45; citation_doi=10.1007/BF01743519; citation_id=CR16 citation_journal_title=Int J Numer Methods Eng; citation_title=An adaptive penalty scheme for genetic algorithms in structural optimization; citation_author=ACC Lemonge, HJC Barbosa; citation_volume=59; citation_issue=5; citation_publication_date=2004; citation_pages=703-736; citation_doi=10.1002/nme.899; citation_id=CR17 citation_title=The improvement of automatic grouping genetic algorithms and its application in structural engineering; citation_publication_date=2011; citation_id=CR18; citation_author=X Liu; citation_publisher=Dalian University of Technology citation_journal_title=Struct Multidiscip Optim; citation_title=Singular optimum topology of skeletal structures with frequency constraints by AGGA; citation_author=XF Liu, GD Cheng, J Yan, L Jiang; citation_volume=45; citation_issue=3; citation_publication_date=2012; citation_pages=451-466; citation_doi=10.1007/s00158-011-0708-x; citation_id=CR19 citation_title=Morphogenetic design of truss structures based on genetic algorithm; citation_publication_date=2011; citation_id=CR20; citation_author=W Ma; citation_publisher=Harbin Institute of Technology citation_journal_title=Comput Struct; citation_title=Genetic algorithm for topology optimization of trusses; citation_author=M Ohsaki; citation_volume=57; citation_issue=2; citation_publication_date=1995; citation_pages=219-225; citation_doi=10.1016/0045-7949(94)00617-C; citation_id=CR21 citation_journal_title=Struct Multidiscip Optim; citation_title=Topology optimization of trusses with stress and local constraints on nodal stability and member intersection; citation_author=M Ohsaki, N Katoh; citation_volume=29; citation_issue=3; citation_publication_date=2005; citation_pages=190-197; citation_doi=10.1007/s00158-004-0480-2; citation_id=CR22 citation_journal_title=Comput Struct; citation_title=Structural optimization with approximate sensitivities; citation_author=SN Patnaik, DA Hopkins, R Coroneos; citation_volume=58; citation_issue=2; citation_publication_date=1996; citation_pages=407-418; citation_doi=10.1016/0045-7949(95)00123-X; citation_id=CR23 citation_journal_title=Int J Solids Struct; citation_title=Matrix analysis of statically and kinematically indeterminate frameworks; citation_author=S Pellegrino, CR Calladine; citation_volume=22; citation_issue=4; citation_publication_date=1986; citation_pages=409-428; citation_doi=10.1016/0020-7683(86)90014-4; citation_id=CR24 citation_journal_title=Struct Multidiscip Optim; citation_title=Micro-scale truss optimization using genetic algorithm; citation_author=MB Prendes-Gero, JM Drouet; citation_volume=43; citation_issue=5; citation_publication_date=2011; citation_pages=647-656; citation_doi=10.1007/s00158-010-0603-x; citation_id=CR25 citation_journal_title=J Struct Eng; citation_title=Sizing, shape, and topology design optimization of trusses using genetic algorithm; citation_author=SD Rajan; citation_volume=121; citation_issue=10; citation_publication_date=1995; citation_pages=1480-1487; citation_doi=10.1061/(ASCE)0733-9445(1995)121:10(1480); citation_id=CR26 citation_journal_title=Struct Optim; citation_title=Difficulties in truss topology optimization with stress, local buckling and system stability constraints; citation_author=GIN Rozvany; citation_volume=11; citation_issue=3–4; citation_publication_date=1996; citation_pages=213-217; citation_doi=10.1007/BF01197036; citation_id=CR27 citation_journal_title=Struct Optim; citation_title=On singular topologies in exact layout optimization; citation_author=GIN Rozvany, T Birker; citation_volume=8; citation_issue=4; citation_publication_date=1994; citation_pages=228-235; citation_doi=10.1007/BF01742707; citation_id=CR28 citation_journal_title=Appl Mech Rev; citation_title=Layout optimization of structures; citation_author=GIN Rozvany, U Kirsch; citation_volume=48; citation_publication_date=1995; citation_pages=41; citation_doi=10.1115/1.3005097; citation_id=CR29 Sakamoto J, Oda J (1993) A technique of optimal layout design for truss structures using genetic algorithm. In: Proceedings of the 34th AIAA/ASCE/ASME/AHS structural dynamics and material conference AIAA/ASME adaptive structures forum. New York, pp 2402–2408 Sawada K, Shimizu H, Matsuo A (2009) Enhanced genetic algorithm with randomized line search techniques for discrete truss optimization. In: 8th world congress on structural and multidisciplinary optimization, Lisbon citation_journal_title=Struct Multidiscip Optim; citation_title=Randomized line search techniques in combined GA for discrete sizing optimization of truss structures; citation_author=K Sawada, A Matsuo, H Shimizu; citation_volume=44; citation_issue=3; citation_publication_date=2011; citation_pages=337-350; citation_doi=10.1007/s00158-011-0629-8; citation_id=CR32 citation_journal_title=Comp Aid Civil Infrastruct Eng; citation_title=Optimal layout of bridge trusses by genetic algorithms; citation_author=CK Soh, J Yang; citation_volume=13; citation_issue=4; citation_publication_date=1998; citation_pages=247-254; citation_doi=10.1111/0885-9507.00103; citation_id=CR33 Su R, Gui L, Fan Z (2009) Topology and sizing optimization of truss structures using adaptive genetic algorithm with node matrix encoding. In: Fifth international conference on natural computation. IEEE, Tianjin, pp 485–491 citation_journal_title=Struct Multidiscip Optim; citation_title=Multi-objective topology and sizing optimization of truss structures based on adaptive multi-island search strategy; citation_author=R Su, X Wang, L Gui, Z Fan; citation_volume=43; citation_issue=2; citation_publication_date=2011; citation_pages=275-286; citation_doi=10.1007/s00158-010-0544-4; citation_id=CR35 citation_journal_title=Chin J Comput Mech; citation_title=Improved genetic algorithm for topology optimization of truss structures; citation_author=W-y Tang, Q-k Yuan; citation_volume=25; citation_issue=1; citation_publication_date=2008; citation_pages=79-84; citation_id=CR36 citation_journal_title=Int J Numer Methods Eng; citation_title=Improved genetic algorithm for design optimization of truss structures with sizing, shape and topology variables; citation_author=W Tang, L Tong, Y Gu; citation_volume=62; citation_issue=13; citation_publication_date=2005; citation_pages=1737-1762; citation_doi=10.1002/nme.1244; citation_id=CR37 citation_journal_title=Chin J Comput Mech; citation_title=Optimization strategy of aluminium alloy car body of high speed train unit; citation_author=W Tong, XX Liu; citation_volume=26; citation_issue=3; citation_publication_date=2009; citation_pages=424-427; citation_id=CR38 citation_journal_title=Eng Struct; citation_title=Elasto-plastic analysis based truss optimization using Genetic Algorithm; citation_author=H Wang, H Ohmori; citation_volume=50; citation_publication_date=2013; citation_pages=1-12; citation_doi=10.1016/j.engstruct.2013.01.010; citation_id=CR39 citation_journal_title=Struct Multidiscip Optim; citation_title=Truss optimization on shape and sizing with frequency constraints based on parallel genetic algorithm; citation_author=LY Wei, TB Tang, XH Xie, WJ Shen; citation_volume=43; citation_issue=5; citation_publication_date=2011; citation_pages=665-682; citation_doi=10.1007/s00158-010-0600-0; citation_id=CR40 citation_journal_title=Comput Struct; citation_title=Steady-state genetic algorithms for discrete optimization of trusses; citation_author=S-J Wu, P-T Chow; citation_volume=56; citation_issue=6; citation_publication_date=1995; citation_pages=979-991; citation_doi=10.1016/0045-7949(94)00551-D; citation_id=CR41 citation_journal_title=Chin J Comput Mech; citation_title=Research on algorithm of optimal actuator/sensor location for piezoelectric truss; citation_author=K-C Xian, H Huang; citation_volume=25; citation_issue=6; citation_publication_date=2008; citation_pages=827-832; citation_id=CR42 citation_journal_title=Comput Methods Appl Mech Eng; citation_title=The COC algorithm, Part II: topological, geometrical and generalized shape optimization; citation_author=M Zhou, GIN Rozvany; citation_volume=89; citation_issue=1; citation_publication_date=1991; citation_pages=309-336; citation_doi=10.1016/0045-7825(91)90046-9; citation_id=CR43 citation_title=Genetic algorithms: theory and applications; citation_publication_date=1999; citation_id=CR44; citation_author=M Zhou; citation_author=S-D Sun; citation_publisher=National Defense Industry Publishing Company