Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy kết cấu bồn gia cường chứa dầu bằng phương pháp lai pso sqp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP HỒ CHÍ MINH LÊ ĐÌNH VĂN TỐI ƯU HÓA DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU BỒN GIA CƯỜNG CHỨA DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP LAI PSO - SQP LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP HỒ CHÍ MINH LÊ ĐÌNH VĂN TỐI ƯU HÓA DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU BỒN GIA CƯỜNG CHỨA DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP LAI PSO - SQP Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng công nghiệp Mã số chuyên ngành: 60 58 02 08 LUẬN VĂN THẠC SỸ Người hướng dẫn khoa học PGS.TS NGUYỄN THỜI TRUNG Tp Hồ Chí Minh, năm 2015 -i- LỜI CAM ĐOAN Luận văn “Tối ưu hóa dựa độ tin cậy kết cấu bồn gia cường chứa dầu phương pháp lai PSO – SQP” nghiên cứu thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thời Trung Tôi xin cam đoan kết luận văn thật chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm tất công việc mà thực luận văn Tp.HCM, ngày … tháng … năm 2015 Học viên thực LÊ ĐÌNH VĂN - iii - TÓM TẮT LUẬN VĂN TÊN ĐỀ TÀI “TỐI ƯU HÓA DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU BỒN GIA CƯỜNG CHỨA DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP LAI PSO – SQP” Luận văn nhằm thực đề tài “Tối ưu hóa dựa độ tin cậy kết cấu bồn gia cường chứa dầu phương pháp lai PSO – SQP” Mô hình tính toán kết cấu bồn gia cường chứa dầu vỏ có gia cường dầm với ngàm biên đáy bồn Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) với phần tử CS-DSG3 (Cellbased Smoothed Discrete Shear Gap) sử dụng để phân tích ứng xử cho toán vỏ gia cường dầm Bài toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy (Reliability-Based Design Optimization – RBDO) thiết lập với hàm mục tiêu trọng lượng thành bồn, biến thiết kế chiều dày thành bồn kích thước mặt cắt ngang dầm Trong đó, phương pháp lai PSO – SQP (là kết hợp phương pháp: tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) giải thuật bình phương (Sequential Quadratic Programming – SQP)) Phương pháp độ tin cậy bậc ngược (Inverse First Order Reliability Method – Inv-FORM) sử dụng để giải toán tối ưu hóa toán đánh giá độ tin cậy vòng lặp giải thuật tối ưu hóa dựa độ tin cậy (Sequential Optimization and Reliability Assessement – SORA) Việc giải toán tối ưu hóa dựa độ tin cậy kết cấu bồn gia cường thực qua bước sau: Bước 1: Phân tích ứng xử kết cấu bồn gia cường dầm phần tử CS-DGG3 Bước 2: Thiết lập giải toán thiết kế tối ưu kết cấu bồn gia cường chứa dầu phương pháp lai PSO - SQP Bước 3: Thiết lập giải toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy (RBDO) kết cấu bồn gia cường chứa dầu hai phương pháp PSO – SQP phương pháp độ tin cậy bậc ngược (Inv-FORM) - iv - Các kết phân tích ứng xử kiểm chứng kết thu từ phần mềm ANSYS lời giải giải tích toán vỏ trụ tròn, trục thẳng đứng chịu uốn lý thuyết vỏ Đối với toán tối ưu hóa bước 2, để đánh giá hiệu phương pháp lai PSO – SQP nghiệm tối ưu đạt toán so sánh với nghiệm tối ưu phương pháp tiến hóa cải tiến (Improved Constrained Diffirential Evolution – ICDE) phương pháp PSO Nghiệm tối ưu thu sau giải toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy phương pháp lai PSO – SQP bước kiểm tra, so sánh với thiết kế thực tế Từ khóa: Phần tử hữu hạn (PTHH); phương pháp lai tối ưu hóa bầy đàn - giải thuật bình phương (PSO – SQP); phương pháp thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy (RBDO); thuật giải tối ưu dựa độ tin cậy (SORA) -1- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iii MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Tình hình nghiên cứu giới 11 1.3 Tình hình nghiên cứu nước .12 1.4 Mục tiêu đề tài 13 1.5 Phạm vi nghiên cứu 13 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Lý thuyết vỏ Reissner – Mindlin gia cường dầm Timoshenko 14 2.1.1 Tấm Reissner – Mindlin 14 2.1.2 Vỏ Reissner - Mindlin 20 2.1.3 Dầm Timoshenko .22 2.1.4 Vỏ Reissner-Mindlin gia cường dầm Timoshenko 28 2.2 Phương pháp PTHH cho toán vỏ gia cường dầm .29 2.2.1 Phương pháp PTHH cho toán vỏ 30 2.2.2 Phương pháp PTHH cho toán dầm 37 2.2.3 Phương pháp PTHH cho toán vỏ gia cường dầm 40 2.3 Lý thuyết tối ưu hóa sử dụng phương pháp lai PSO – SQP 41 2.3.1 Giới thiệu 41 2.3.2 Phương pháp PSO 42 2.3.3 Phương pháp SQP 45 2.3.4 Phương pháp lai PSO – SQP .46 -2- 2.4 Lý thuyết thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy (RBDO) .47 2.4.1 Phân tích độ nhạy .50 2.4.2 Phương pháp độ tin cậy bậc ngược Inv-FORM 50 2.4.3 Giải thuật RBDO dựa phương pháp lai PSO – SQP phương pháp Inv-FORM 53 KẾT QUẢ SỐ 57 3.1 Bài toán bồn gia cường chứa dầu có dung tích 5.000 m3 59 3.2 Bài toán bồn gia cường chứa dầu có dung tích 20.000 m3 66 3.3 Nhận xét kết 73 3.4 Mối quan hệ hệ số an toàn độ tin cậy kết cấu 74 3.5 So sánh kết luận văn với kết thiết kế thực tế 75 3.6 Khảo sát toán tối ưu hóa dựa độ tin cậy ứng với tỉ lệ thay đổi khác biến ngẫu nhiên 76 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 79 4.1 Kết luận 79 4.2 Khuyến nghị .80 4.2.1 Những hạn chế nghiên cứu 80 4.2.2 Hướng phát triển đề tài 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 PHỤ LỤC 87 -3- DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 So sánh kết phân tích ứng xử vỏ không gia cường 60 Bảng 3.2 So sánh kết phân tích ứng xử vỏ gia cường dầm 61 Bảng 3.3 Kết phân tích độ nhạy hàm chuyển vị hàm ứng suất 62 Bảng 3.4 Nghiệm toán tối ưu (không xét độ tin cậy) ba phương pháp PSO – SQP, ICDE PSO .62 Bảng 3.5 Kết tối ưu hóa toán RBDO ứng với trường hợp xác suất an toàn khác 63 Bảng 3.6 Chênh lệch giá trị hàm mục tiêu hai trường hợp tính toán 64 Bảng 3.7 So sánh nghiệm tối ưu hai trường hợp 65 Bảng 3.8 So sánh kết phân tích ứng xử vỏ không gia cường 67 Bảng 3.9 So sánh kết phân tích ứng xử vỏ có gia cường 68 Bảng 3.10 Kết phân tích độ nhạy hàm chuyển vị hàm ứng suất 69 Bảng 3.11 Nghiệm toán tối ưu (không xét độ tin cậy) ba phương pháp PSO – SQP, ICDE PSO .70 Bảng 3.12 Kết tối ưu hóa toán RBDO ứng với trường hợp xác suất an toàn khác 71 Bảng 3.13 Chênh lệch giá trị hàm mục tiêu hai trường hợp tính toán 72 Bảng 3.14 So sánh nghiệm tối ưu hai trường hợp 73 Bảng 3.15 Mối liên quan hệ số an toàn độ tin cậy kết cấu 74 Bảng 3.16 Kết thu từ luận văn thiết kế thực tế 75 Bảng 3.17 Khảo sát nghiệm toán RBDO (bồn 5.000 m3) thay đổi tỉ lệ thay đổi V biến ngẫu nhiên ν P 77 Bảng 3.18 Khảo sát nghiệm toán RBDO (bồn 20.000 m3) thay đổi tỉ lệ thay đổi V biến ngẫu nhiên ν P 77 -4- DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bồn chứa dầu nhà máy lọc dầu Dung Quất Hình 1.2 Dự án kho xăng dầu hàng không miền Nam .8 Hình 1.3 Hình dáng chung bồn chứa dầu với mái kết cấu trụ cầu Hình 1.4 Mặt cắt đứng bồn chứa dầu Hình 2.1 Phần tử vỏ thoải 14 Hình 2.2 Quy ước dấu 15 Hình 2.3 a) Quy ước dấu mặt phẳng Oxz; b) Quy ước dấu mặt phẳng Oyz 16 Hình 2.4 Biến dạng 17 Hình 2.5 Chuyển hệ tọa độ cho phần tử tam giác 20 Hình 2.6 Chuyển hệ tọa độ cho phần tử dầm 22 Hình 2.7 Quy ước dấu cho dầm .23 Hình 2.8 Chuyển vị biến dạng dầm 24 Hình 2.9 Đổi biến dầm 26 Hình 2.10 Phần tử vỏ gia cường dầm 29 Hình 2.11 Phần tử tam giác miền tham chiếu 32 Hình 2.12 Tọa độ nút hệ tọa độ tổng thể 33 Hình 2.13 Phần tử CS-DSG3 chia nhỏ thành tam giác 35 Hình 2.14 Phần tử dầm hai nút 37 Hình 2.15 Phần tử dầm miền tham chiếu 39 Hình 2.16 Sơ đồ thuật giải PSO 43 Hình 2.17 Khởi tạo quần thể ban đầu 44 Hình 2.18 Cập nhật vận tốc vị trí cá thể 45 Hình 2.19 Sơ đồ khối phương pháp lai PSO – SQP 47 Hình 2.20 Kết tối ưu xét đến độ tin cậy không xét đến độ tin cậy 48 Hình 2.21 Hai vòng lặp riêng biệt giải thuật SORA 49 Hình 2.22 Điểm thiết kế MPP không gian vật lý không gian chuẩn hóa 51 Hình 2.23 Sơ đồ thuật toán Inv-FORM 53 -5- Hình 2.24 Mô hình chuyển đổi hàm trạng thái giới hạn 54 Hình 2.25 Biến đổi tương đương hai hàm ràng buộc xác suất 54 Hình 2.26 Hiệu chỉnh giá trị MPP 55 Hình 2.27 Sơ đồ giải thuật RBDO dựa phương pháp lai PSO – SQP 56 Hình 3.1 Mô hình phân tích ứng xử ¼ thành bồn phần tử CS-DSG3 với lưới 10x10 .57 Hình 3.2 Mô hình thành bồn gia cường dầm 5.000 m3 59 Hình 3.3 Chuyển vị vỏ không gia cường a) Lý thuyết vỏ b) ANSYS 60 Hình 3.4 Kết biến dạng vỏ không gia cường a) trước có tải b) sau có tải .60 Hình 3.5 Chuyển vị vỏ gia cường chạy từ phần mềm ANSYS 61 Hình 3.6 Kết biến dạng vỏ gia cường a) trước có tải b) sau có tải 61 Hình 3.7 Thay đổi hàm mục tiêu ứng với thay đổi xác suất an toàn 64 Hình 3.8 So sánh giá trị hàm mục tiêu hai trường hợp tính toán 65 Hình 3.9 Mô hình thành bồn gia cường dầm 20.000 m3 66 Hình 3.10 Chuyển vị vỏ không gia cường a) lý thuyết vỏ b) ANSYS 67 Hình 3.11 Kết biến dạng vỏ không gia cường a) trước có tải b) sau có tải 68 Hình 3.12 Chuyển vị vỏ có gia cường chạy từ phần mềm ANSYS 68 Hình 3.13 Kết biến dạng vỏ gia cường a) trước có tải b) sau có tải 69 Hình 3.14 Thay đổi hàm mục tiêu ứng với thay đổi xác suất an toàn 71 Hình 3.15 So sánh giá trị hàm mục tiêu hai trường hợp tính toán 72 Hình 3.16 Khảo sát mối liên quan hệ số an toàn độ tin cậy a) Trường hợp bồn 5.000 m3 b) Trường hợp bồn 20.000 m3 75 - 72 - tin cậy Tỉ lệ tăng dao động từ 12,40% đến 30,78% tùy theo giá trị xác suất an toàn Ngoài ra, ta thấy rõ xác suất an toàn cao tỉ lệ tăng cao Điều cho thấy việc kết hợp toán phân tích độ tin cậy với toán tối ưu hóa quan trọng Nhất xác suất an toàn ấn định phạm vi lớn 99,98% Bảng 3.13 Chênh lệch giá trị hàm mục tiêu hai trường hợp tính toán Hình 3.15 So sánh giá trị hàm mục tiêu hai trường hợp tính toán Tương ứng với giá trị hàm mục tiêu, giá trị nghiệm tối ưu toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy tăng lên so với giá trị nghiệm tối ưu toán tối ưu hóa không xét độ tin cậy Bảng 3.13 so sánh giá trị nghiệm tối ưu trường hợp thiết kế tối ưu không xét độ tin cậy với giá trị nghiệm tối ưu tối ưu có ràng buộc độ tin cậy (ứng với ràng buộc xác suất an toàn Pr(  [])  99,38% (tương ứng số độ tin cậy β = 2,5) kết cấu) Kết cho thấy rằng, giá trị biến chiều dày toán - 73 - tối ưu có xét độ tin cậy (t = 15,674 mm) tăng đến 24,26% so với giá trị biến chiều dày toán tối ưu không xét độ tin cậy (t = 12,614 mm) Bảng 3.14 So sánh nghiệm tối ưu hai trường hợp 3.3 Nhận xét kết Dựa kết toán tối ưu 3.1 3.2, ta có nhận xét sau:  Kết phân tích ứng xử kết cấu bồn gia cường phần tử CSDSG3 đáng tin cậy sử dụng để tính toán cho toán tối ưu toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy;  Trong toán thiết kế tối ưu hóa không xét đến độ tin cậy kết cấu bồn gia cường, phương pháp lai PSO – SQP sử dụng để tìm kiếm nghiệm tối ưu Khi so sánh kết với hai phương pháp khác ICDE PSO, phương pháp lai PSO – SQP cho kết xác tiết kiệm chi phí tính toán nhiều Phương pháp ICDE cho kết xác tương tự tốn nhiều thời gian tính toán hơn, phương pháp PSO có thời gian tính toán nhỏ phương pháp ICDE lớn phương pháp PSO – SQP kết tối ưu lại không xác hai phương pháp lại Như vậy, việc sử dụng phương pháp lai PSO – SQP hợp lý hiệu toán tối ưu hóa bồn gia cường;  Đối với toán thiết kế tối ưu xét đến độ tin cậy, ta sử dụng giải thuật SORA cách kết hợp phương pháp lai PSO – SQP cho vòng lặp tối ưu hóa phương pháp Inv-FORM cho vòng lặp độ tin cậy Từ kết thu được, ta thấy giá trị hàm mục tiêu tăng so với không xét đến độ tin cậy Giá trị hàm mục tiêu tỉ lệ thuận với xác suất an toàn ấn định trước Đặc biệt, giá trị hàm mục tiêu tăng mạnh ứng với xác suất an toàn kết cấu ấn định phạm vi lớn 99,98% - 74 - 3.4 Mối quan hệ hệ số an toàn độ tin cậy kết cấu Trong tiêu chuẩn thiết kế, để nâng cao xác suất an toàn công trình, người thiết kế sử dụng tĩnh tải tính toán tải tiêu chuẩn nhân thêm hệ số an toàn ( = 1,1 ÷ 1,2) Tuy nhiên, điều có ý nghĩa mặt định tính, người thiết kế không xác định mặt định lượng xác suất an toàn công trình cụ thể Với toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy, người kỹ sư đảm bảo thiết kế vừa tối ưu mặt kinh tế vừa đảm bảo xác suất an toàn cho phép công trình Như vậy, ứng với giá trị thiết kế từ hai toán trên, ta thấy có liên hệ tương ứng hệ số an toàn với xác suất an toàn (hay số độ tin cậy β) Trong ngữ cảnh luận văn này, ta định nghĩa hệ số an toàn (Safety Factor – SF) tỉ số ứng suất cho phép ứng suất tính toán, cách sử dụng phương pháp phân tích độ tin cậy bậc ngược Inv-FORM, ta xác định mối quan hệ hệ số an toàn độ tin cậy kết cấu toán 3.1 3.2, minh họa Bảng 3.15 Hình 3.16 Bảng 3.15 Mối liên quan hệ số an toàn độ tin cậy kết cấu - 75 - Kết Bảng 3.15 thiết thực cho phép người thiết kế chọn hệ số an toàn phù hợp để thiết kế (tức không cần giải toán tối ưu) mà đảm bảo xác suất an toàn ấn định trước chủ đầu tư a) b) Hình 3.16 Khảo sát mối liên quan hệ số an toàn độ tin cậy a) Trường hợp bồn 5.000 m3 b) Trường hợp bồn 20.000 m3 3.5 So sánh kết luận văn với kết thiết kế thực tế Các công trình bồn chứa dầu thực tế như: Tổng kho xăng dầu Nhà Bè, Kho xăng dầu Chân Mây, Kho xăng dầu hàng không Miền Nam, v.v có phần kết cấu thép bồn thiết kế theo tiêu chuẩn API 650 11th, ADD.2008 Viện Dầu khí Quốc gia Mỹ Từ kết thiết kế thực tế bồn chứa 5.000 m3 bồn chứa 20.000 m3 sử dụng kết Bảng 3.15 sử dụng phương pháp phân tích độ tin cậy bậc FORM, ta thu kết từ luận văn (gồm xác suất an toàn số độ tin cậy β) ứng với hệ số an toàn thiết kế thực tế Kết thu từ nghiên cứu thiết kế thực tế trình bày Bảng 3.16 Bảng 3.16 Kết thu từ luận văn thiết kế thực tế Từ mục 3.4 Bảng 3.16, ta có nhận xét kết hàm mục tiêu thu nghiên cứu thiết kế thực tế sau: - 76 -  Đối với bồn chứa dầu dung tích 5.000 m3, với hệ số an toàn SF = 1,225 thiết kế thực tế, ta tính xác suất an toàn kết cấu bồn 99,754% giá trị hàm mục tiêu hay trọng lượng thành bồn 62.795 kg Giá trị hàm mục tiêu có mức chênh lệch nhỏ so với giá trị hàm mục tiêu thiết kế thực tế 0,29%;  Đối với bồn chứa dầu dung tích 20.000 m3, với hệ số an toàn SF = 1,214 thiết kế thực tế, ta tính xác suất an toàn kết cấu bồn 99,629% giá trị hàm mục tiêu hay trọng lượng thành bồn 334.729 kg Giá trị hàm mục tiêu có mức chênh lệch nhỏ so với thiết kế thực tế 2,28%;  Như vậy, giá trị hàm mục tiêu thu toán tối ưu dựa độ tin cậy từ nghiên cứu chênh lệch nhỏ so với thiết kế thực tế Điểm vượt trội từ kết nghiên cứu việc xác định cụ thể xác suất an toàn kết cấu ứng với hệ số an toàn sử dụng thiết kế thực tế Trong khi, với cách thiết kế sử dụng hệ số an toàn truyền thống ta xác định xác suất an toàn kết cấu;  Cũng cần lưu ý rằng, kết đạt toán tối ưu hóa dựa độ tin cậy mục tương ứng với tỉ lệ thay đổi V hai biến ngẫu nhiên ν P 10% 8%, tức ứng với độ lệch phân bố ngẫu nhiên lớn Nếu độ lệch phân bố ngẫu nhiên nhỏ (tức tỉ lệ thay đổi V nhỏ hơn) tăng tỉ lệ thay đổi biến ngẫu nhiên P kết đạt toán tối ưu hóa dựa độ tin cậy khác biệt rõ so với kết thiết kế thực tế Để làm rõ ý phân tích này, học viên tiến hành khảo sát nghiệm toán tối ưu hóa dựa độ tin cậy ứng với tỉ lệ thay đổi khác biến ngẫu nhiên 3.6 Khảo sát toán tối ưu hóa dựa độ tin cậy ứng với tỉ lệ thay đổi khác biến ngẫu nhiên Ta khảo sát nghiệm toán tối ưu dựa độ tin cậy ứng với trường hợp tỉ lệ thay đổi hai biến ngẫu nhiên ν P sau: - Trường hợp 1: Vν = 5%; VP = 5% - 77 - - Trường hợp 2: Vν = 5%; VP = 8% - Trường hợp 3: Vν = 10%; VP = 8% - Trường hợp 4: Vν = 10%; VP = 12% Các trường hợp tính toán ứng với hệ số an toàn thiết kế thực tế thể Bảng 3.16 Nghiệm toán tối ưu dựa độ tin cậy ứng với trường hợp trình bày Bảng 3.17 (bồn chứa dầu 5.000 m3) Bảng 3.18 (bồn chứa dầu 20.000 m3) Bảng 3.17 Khảo sát nghiệm toán RBDO (bồn 5.000 m3) thay đổi tỉ lệ thay đổi V biến ngẫu nhiên ν P Bảng 3.18 Khảo sát nghiệm toán RBDO (bồn 20.000 m3) thay đổi tỉ lệ thay đổi V biến ngẫu nhiên ν P Hai Bảng 3.17 3.18 cho ta thấy nghiệm toán RBDO không thay đổi nhiều tỉ lệ thay đổi biến ngẫu nhiên P VP = 8% biến ngẫu nhiên ν Vν = 5% ÷ 10% giá trị hàm mục tiêu từ nghiên cứu không khác biệt nhiều so với giá trị hàm mục tiêu thiết kế thực tế Khi tỉ lệ thay đổi V biến ngẫu nhiên nhỏ (trường hợp 1), giá trị hàm mục tiêu tính toán nhỏ so với giá trị hàm mục tiêu thiết kế thực tế 7,08% (bồn 5.000m3) 8,94% (bồn 20.000 m3) Khi tỉ lệ thay đổi biến ngẫu nhiên lớn (trường hợp 4), giá trị hàm mục tiêu tính toán lớn so với giá trị hàm mục tiêu thiết kế thực tế 9,01% (bồn 5.000m3) 8,07% (bồn 20.000 m3) Như vậy, hai trường hợp 4, kết đạt - 78 - toán RBDO có khác biệt đáng kể so với kết thiết kế thực tế Kết cho thấy rằng, việc thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy với đầy đủ liệu phân bố ngẫu nhiên thực tế cho kết thiết kế sát với điều kiện sử dụng thực tế mà đáp ứng xác suất an toàn cho trước - 79 - CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Luận văn thực nghiên cứu toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy RBDO cho kết cấu bồn gia cường Trên sở kết hợp phương pháp phân tích kết cấu CS-DSG3 cho toán phân tích ứng xử vỏ gia cường, phương pháp lai PSO – SQP cho toán tối ưu hóa phương pháp Inv-FORM cho phân tích độ tin cậy giải thuật tối ưu hóa dựa độ tin cậy SORA, học viên thiết lập giải thành công toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy kết cấu Bài toán xây dựng với hàm mục tiêu trọng lượng thành bồn, biến ngẫu nhiên hệ số poison ν, tải thủy tĩnh P biến thiết kế chiều dày thành bồn t, chiều rộng b, chiều cao h mặt cắt ngang dầm Các ràng buộc toán gồm: ràng buộc ứng suất   [], ràng buộc xác suất an toàn Pr (  []) ≥ [P] Đối với kết cấu phức tạp, hàm mục tiêu ràng buộc có tính phi tuyến cao, việc tìm lời giải tối ưu toàn cục khó khăn Việc sử dụng phương pháp kết hợp PSO SQP giúp giải hiệu vấn đề PSO mạnh tìm điểm tối ưu toàn cục SQP có ưu điểm hội tụ nhanh nghiệm tối ưu địa phương Đánh giá độ tin cậy với phương pháp Inv-FORM đảm bảo nghiệm tối ưu thỏa mãn xác suất an toàn ấn định cho trước Trong toán tối ưu hóa kết cấu bồn gia cường, kết hợp phương pháp tối ưu toàn cục PSO phương pháp tối ưu địa phương SQP cho thấy tính hiệu cao Các kết tối ưu đạt từ phương pháp lai PSO – SQP đáng tin cậy hiệu số phương pháp so sánh ICDE PSO Kết toán tối ưu không xét độ tin cậy thu cho thấy nghiệm tối ưu nằm ranh giới vùng an toàn không an toàn (qua kiểm tra, ta tính toán xác suất an toàn 50,001% hay xác suất phá hủy 49,999%) Khi biến ngẫu nhiên thay đổi theo quy luật phân bố định (ảnh hưởng từ trình sản xuất, từ môi trường xung quanh, từ trình vận hành, v.v.) nghiệm tối ưu rơi vào vùng không an toàn Bài toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy áp - 80 - dụng đảm bảo nghiệm tối ưu nằm vùng an toàn ứng với xác suất an toàn cho trước Cùng hệ số an toàn với tỉ lệ thay đổi biến ngẫu nhiên Vν = 10%, VP = 8%, giá trị hàm mục tiêu thu từ luận văn tương đương với thiết kế thực tế nghiên cứu xác suất an toàn kết cấu Vì vậy, áp dụng toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy cho kết cấu, người thiết kế xác định nghiệm thiết kế tối ưu ứng với hệ số an toàn mà chủ đầu tư yêu cầu đồng thời xác định xác suất an toàn kết cấu Ngoài ra, độ lệch phân bố ngẫu nhiên (tức tỉ lệ thay đổi V) biến ngẫu nhiên thay đổi kết toán tối ưu hóa dựa độ tin cậy thay đổi Kết nhỏ hay lớn so với kết thiết kế thực tế phụ thuộc vào thay đổi nhỏ hay lớn tỉ lệ thay đổi V Kết cho thấy rằng, việc thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy với đầy đủ liệu phân bố ngẫu nhiên thực tế cho kết thiết kế sát với điều kiện sử dụng thực tế mà đáp ứng xác suất an toàn cho trước Kết số cho thấy, việc thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy RBDO sử dụng phương pháp lai PSO – SQP cho vòng lặp tối ưu hóa giải thuật tách rời SORA (trong hai vòng lặp tối ưu đánh giá độ tin cậy thực độc lập), lựa chọn tối ưu để giải toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy cho kết cấu bồn gia cường chứa dầu 4.2 Khuyến nghị 4.2.1 Những hạn chế nghiên cứu Mặc dù học viên cố gắng tiếp cận nhiều phương pháp tính toán khác trình nghiên cứu thời gian thực hạn chế nên đề tài dừng lại toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy phần kết cấu thép thành bồn chứa Để nghiên cứu đưa vào ứng dụng thực tế, người thiết kế phải giải tiếp toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy cho toàn kết cấu bồn chứa dầu điều kiện tải tác dụng khác như: động đất, gió, v.v Sau đó, người thiết kế phải thuyết phục khách hàng sử dụng sản phẩm thiết kế với nhiều ưu điểm so với thiết kế thực tế - 81 - Ngoài ra, học viên cần phải có số liệu thống kê thực tế của biến ngẫu nhiên như: giá trị trung bình, độ lệch chuẩn qui luật phân bố Điều đòi hỏi nhiều nỗ lực, thời gian đo đạc thống kê liệu 4.2.2 Hướng phát triển đề tài  Mở rộng toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy RBDO cho toàn kết cấu thép bồn chứa dầu (thêm phần đáy mái bồn) Trong luận văn này, khối lượng công việc nhiều thời gian thực có giới hạn nên học viên chọn biến thiết kế tối ưu chiều dày thành bồn (t), kích thước mặt cắt ngang dầm (b,h) số lượng dầm chọn cố định bố trí theo chiều cao bồn Mặt khác, kết cấu bồn chứa dầu nên áp lực giảm dần theo chiều cao, việc tối ưu số lượng dầm gia cường tối ưu cách bố trí dầm gia cường đề tài nghiên cứu cần thiết  Phạm vi nghiên cứu tải trọng tác dụng áp lực thủy tĩnh Do cần nghiên cứu thêm toán với loại tải tác dụng khác như: động đất, gió, áp lực động lực học, v.v  Luận văn áp dụng giải thuật SORA, vòng lặp tối ưu phương pháp lai PSO – SQP Phương pháp mở rộng để giải toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy cho loại kết cấu, vật liệu loại chất lỏng khác  Trong luận văn này, thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy nghiên cứu toán bồn gia cường Vì vậy, ta sử dụng thuật giải khác để tính toán so sánh với kết để có lời giải tối ưu Kết hợp với việc xác định thông số biến ngẫu nhiên qua thực tiễn, thí nghiệm, ta đưa nghiên cứu vào ứng dụng thực tế sản phẩm thiết kế đáng tin cậy - 82 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Timoshenko S Woinowsky Krieger, Theory of Plates and Shells McGraw – Hill Book Company, Second Edition, 1987 [2] Lương Văn Hải, Bài giảng môn học kết cấu vỏ Trường Đại học Mở TP HCM, 2013 [3] Ugural, A.C.Tresses, in plates and shell, 1999 [4] Nguyễn Thời Trung Nguyễn Xuân Hùng, Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng Matlab Nhà xuất xây dựng, 2015 [5] Chu Quốc Thắng, Giáo trình Phương pháp phần tử hữu hạn Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1997 [6] Jacob Fish Ted Belytschko, A first course in Finite elements Printed and bound in Great Britain by Antony Rowe Ltd, Chippenham, Wiltshire, 2007 [7] Trần Ích Thịnh Ngô Như Khoa, Phương pháp phần tử hữu hạn Nhà Xuất Hà Nội, 2007 [8] T Nguyen-Thoi, P Phung-Van, H Nguyen-Xuan, C Thai-Hoang, A cellbased smoothed discrete shear gap method (CS-DSG3) using triangular elements for static and free vibration analyses of Reissner-Mindlin plates International Journal for Numerical Methods in Engineering, 91(7), 705-741, 2012 [9] Andrzej S Nowak Kevin R Collins, Reliability of Structures The McGrawHill Companies, Inc, 2000 [10] Nguyễn Thời Trung, Bài giảng môn học Độ tin cậy kết cấu Trường Đại học Mở TP.HCM, 2013 [11] Russel Ebenhart James Kennedy, Particle Swarm Optimization Proc of IEEE International Conf on Neural Networks IV, 1942–1948, 1995 - 83 - [12] Riccardo Poli, James Kennedy, Tim Blackwell, Particle swarm optimization – An overview Swarm Intell 1, 33–57, 2007 [13] Qinghai Bai, Analysis of Particle Swarm Optimization Algorithm Computer and Information Science, 3(1), 2010 [14] Dian Palupi Rini, Siti Mariyam Shamsuddin, Siti Sophiyati Yuhaniz, Particle Swarm Optimization: Technique, System and Challenges International Journal of Computer Applications (0975-8887), 14(1), 2011 [15] Philip E Gill, Walter Murray, Michael A Saunders, An SQP Algorithm for Large scale constrained Optimization Society for Industrial and Applied Mathematics, 47(1), 99–131, 2005 [16] Paul T Boggs Jon W Tolle, Sequential quadratic programming Contribution of the National Institute of Standards and Technology, 1996 [17] Craig Travers Lawrence, A Computationally Efficient Feasible Sequential Quadratic Programming Algorithm Doctoral Dissertation, Copyright by Craig Travers Lawrence, 1998 [18] Soren Ebbesen, Pascal Kiwitz, Lino Guzzella, A Generic Particle Swarm Optimization Matlab Function American Control Conference Fairmont Queen Elizabeth, Montréal, Canada, 2012 [19] Zach D Richards, Constrained Particle Swarm Optimization for Sequential quadratic programming International Journal of Modelling, Identification and Control, 8(4), 2009 [20] Vagelis Plevris Manolis Papadrakakis, A Hybrid Particle Swarm – Gradient Algorithm for Global Structural Optimization Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 26, 48-68, 2011 [21] Shashank Gupta Nitin Narang, Integrated PSO-SQP technique for Shortterm Hydrothermal Scheduling International Journal of Advanced Research in Computer Engineering & Technology (IJARCET), 4(4), 2015 - 84 - [22] S Rahman D Wei, Design sensitivity and Reliability-based structural Optimization by Univariate decomposition Struct Multidisc Optim 35: 245–261, 2008 [23] Jian Tu, Kyung K Choi, Young H Park, A new study on Reliability based Design Optimization ASME Journal of Mechanical Design, 121(4), 557-564, 1999 [24] K Kolanek S Jendo, Reliability - Based Optimization of truss structures AMAS Course on Reliability - Based Optimization, 237-246, 2002 [25] Harish Agarwal, Reliability Based Design Optimization: Formulations and Methodologies Graduate Program in Aerospace and Mechanical Engineering, 2004 [26] Nikos D.Lagaros Vissarion Papadopoulos, Optimum design of shell structure with random geometric, meterial and thicness imperfections International Journal of Solids and Structure 43, 6948-6964, 2006 [27] Leandro Luis Corso Herbert Martins Gomes, Reliability based design optimization of trusses by heuristic algorithms 20th International Congress of Mechanical Engineering, November 15-20, Gramado, RS, Brazil, 2009 [28] Rafael Holdorf Lopeza, Didier Lemossea, Jos´e Eduardo Souza de Cursia, Jhojan Rojasb, Abdelkhalak El-Hamia, An Approach for the Reliability Based Design Optimization of Laminated Composites Engineering Optimization 00(00), 1–17, 2010 [29] Lê Trung Kiên, Tính tối ưu dàn phẳng sử dụng giải thuật di truyền Luận văn thạc sỹ Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, 2000 [30] Nguyễn Tấn Dũng, Tính tối ưu dàn phẳng Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, 2002 - 85 - [31] Hồ Hữu Vịnh, Trần Văn Dần, Phùng Văn Phúc, Lâm Phát Thuận, Lương Văn Hải, Nguyễn Thời Trung, Tối ưu hóa dựa độ tin cậy composite nhiều lớp chịu uốn Hội nghị học toàn quốc lần thứ IX, 2012 [32] Trần Văn Dần, Tối ưu hóa dựa độ tin cậy composite laminate giải thuật di truyền phần tử CS-DSG3 Luận văn thạc sĩ Trường đại học Bách Khoa TP.HCM, 2013 [33] Huỳnh Thanh Phương, Tối ưu hóa dựa độ tin cậy kết cấu dàn Luận văn thạc sỹ Trường Đại học Mở TP.HCM, 2013 [34] Nguyễn Viết Cường, Tối ưu hóa dựa độ tin cậy composite nhiều lớp sử dụng giải thuật lặp SORA Luận văn thạc sỹ Trường Đại học Công nghệ TP.HCM, 2015 [35] Xiaoping Du Wei Chen, Sequential Optimization and Reliability Asessement Method for Efficient Probabilistic Design ASME Journal of Mechanical Design Revision Manuscript Number 20302, 2004 [36] Guanbo Jia, Yong Wang, Zixing Cai, Yaochu Jin, An improved (µ+) – constrained differential evolution for constrained optimization Information Sciences 222, 302-322, 2013 [37] Xiaoping Du, First Order and Second Reliability Methods – Chapter University of Missouri Rolla, 2005 [38] Yibing Xiang Yongming Liu, Inverse FORM method for probabilistic fatigue prognosis 51st AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, AIAA 2010-2684, 2010 [39] Nguyễn Thời Trung, Phân tích độ tin cậy công trình xây dựng: tổng quan, thách thức triển vọng Hội thảo khoa học lần V khoa Xây dựng Điện trường Đại học Mở TP Hồ Chí Minh, 2014 - 86 - [40] Kai-Uwe Bletzinger, Manfred Bischoff, Ekkehard Ramm, a unified approach for shear-locking-free triangular and rectangular shell finite elements COMPUTATIONAL MECHANICS New Trends and Applications S Idelsohn, E Onate and E Dvorkin (Eds.) ©CIMNE, Barcelona, Spain 1998 [41] P Phung-Van, T Nguyen-Thoi, H Luong-Van, C Cao-Hoang, H NguyenXuan, A cell-based smoothed discrete shear gap method (CS-FEM-DSG3) using layerwise deformation theory for dynamic response of composite plates resting on viscoelastic foundation Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 272, 138-159, 2014 [...]... nghiệm tối ưu của kết cấu bằng phương pháp lai PSO – SQP và khảo sát trong hai trường hợp:   Thiết kế tối ưu khi không xét độ tin cậy  Thiết kế tối ưu khi có xét độ tin cậy Sử dụng các phương pháp tính toán tối ưu khác như ICDE và PSO để đánh giá hiệu quả của phương pháp lai PSO - SQP;  So sánh kết quả hàm mục tiêu của kết cấu khi sử dụng thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy RBDO với các kết quả... tính toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy kết cấu bồn gia cường chứa dầu, với các nhiệm vụ cụ thể như sau:  Phân tích ứng xử của kết cấu vỏ không gia cường và vỏ có gia cường bằng phần tử CS-DSG3;  Thiết lập bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy kết cấu bồn gia cường với việc xác định hàm mục tiêu, biến thiết kế, biến ngẫu nhiên và các ràng buộc về ứng xử của kết cấu, ràng buộc về độ tin cậy;  Tìm... [32]; Huỳnh Thanh Phương (2013) Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy kết cấu dàn, sử dụng phương pháp PSO và phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc nhất FORM” [33]; Nguyễn Viết Cường (2015) Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy tấm composite nhiều lớp sử dụng giải thuật lặp tuần tự SORA” [34]; v.v Trong những năm gần đây, các bài toán thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy đã được một số tác giả quan tâm, nghiên cứu... phương pháp lai PSO – SQP để giải bài toán tối ưu Đối với bài toán RBDO, chúng ta có thể tham khảo các nghiên cứu tiêu biểu sau: Nguyễn Thời Trung và cộng sự (2012) Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy tấm composite nhiều lớp chịu uốn” [31]; Trần Văn Dần (2013) Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy tấm composite laminate bằng giải thuật di truyền GA và phần tử CS-DSG3” [32]; Huỳnh Thanh Phương (2013) Tối ưu hóa dựa. .. này chưa đánh giá về độ tin cậy của kết cấu trong điều kiện làm việc ở nước ta Vì vậy, việc thiết lập và giải bài toán tối ưu dựa trên độ tin cậy bồn gia cường chứa dầu sẽ giúp chủ đầu tư có mức đầu tư hợp lý và đảm bảo kết cấu có xác suất phá hủy trong phạm vi được ấn định trước 1.4 Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu tích hợp phương pháp lai PSO – SQP và phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc nhất ngược Inv-FORM... toán sẽ giảm đáng kể Trong nghiên cứu này, phương pháp lai giữa tối ưu hóa bầy đàn PSO và giải thuật bình phương tuần tự SQP sẽ được áp dụng để giải bài toán tối ưu cho kết cấu bồn gia cường, trong đó, lời giải tốt nhất thu được từ giải thuật PSO sẽ là điểm bắt đầu của giải thuật SQP Đối với bài toán tối ưu hóa kết cấu có ràng buộc, nghiệm tối ưu của kết cấu luôn nằm ở ranh giới của vùng an toàn và... bài toán thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy cho kết cấu bồn gia cường chứa dầu đã nhận được sự quan tâm của các chủ đầu tư cũng như các nhà khoa học Tổng quát có hai nhóm phương pháp chính để giải một bài toán tối ưu bao gồm: nhóm phương pháp giải gián tiếp và nhóm phương pháp giải trực tiếp Nhóm phương pháp giải gián tiếp dựa trên phép lấy đạo hàm nhằm tìm điểm cực trị của bài toán bằng cách lấy đạo... 3 nút được gia cường CS-DSG3, giải thuật PSO, giải thuật SQP và phương pháp lai PSO – SQP, giải thuật giải bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy RBDO 2.1 Lý thuyết vỏ Reissner – Mindlin gia cường dầm Timoshenko Kết cấu vỏ có cấu tạo gần giống kết cấu tấm nhưng có độ cong không đổi hoặc thay đổi theo các phương x và y nên có thể coi tấm phẳng là trường hợp riêng của vỏ với bán kính cong bằng vô cùng... kiện môi trường: nhiệt độ, gió, v.v.), thì nghiệm tối ưu của kết cấu cũng phân bố ngẫu nhiên quanh ranh giới của vùng an toàn và vùng không an toàn Do đó, kết cấu sẽ xuất hiện một xác suất không an toàn khi làm việc Thiết kế tối ưu kết hợp với các phương pháp đánh giá độ tin cậy kết cấu sẽ khắc phục được nhược điểm này Trong luận văn này, bài toán thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy (Reliability Based... kết cấu phức tạp dễ dàng hơn, các giải thuật tối ưu hóa lai giữa hai nhóm phương pháp trên đã được các nhà khoa học nghiên cứu như DE – SQP, PSO – SQP, v.v và áp dụng giải các bài toán tối ưu trong nhiều lĩnh vực khác nhau Các phương pháp lai này sẽ khắc phục được các nhược điểm của hai nhóm phương pháp trên Cụ thể, nghiệm tối ưu tìm được của bài toán tối ưu hóa đảm bảo là điểm cực tiểu toàn cục và chính ... “TỐI ƯU HÓA DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU BỒN GIA CƯỜNG CHỨA DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP LAI PSO – SQP Luận văn nhằm thực đề tài Tối ưu hóa dựa độ tin cậy kết cấu bồn gia cường chứa dầu phương pháp lai. .. phương pháp lai PSO – SQP nghiên cứu để giải toán tối ưu hóa bồn gia cường chứa dầu Phương pháp PSO - SQP kết hợp phương pháp tiến hóa PSO dựa giá trị hàm mục tiêu phương pháp SQP dựa thông tin. .. lai PSO - SQP Bước 3: Thiết lập giải toán thiết kế tối ưu dựa độ tin cậy (RBDO) kết cấu bồn gia cường chứa dầu hai phương pháp PSO – SQP phương pháp độ tin cậy bậc ngược (Inv-FORM) - iv - Các kết