Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy cho kết cấu vỏ có dầm gia cường sử dụng giải thuật một vòng lặp đơn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN MINH LAM TÓI ƯU HÓA DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY CHO KẾT CẤU VỎ CÓ DẦM GIA CƯỜNG SỬ DỤNG GIẢI THUẬT MỘT VÒNG LẶP ĐƠN Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình Dân dụng & Công nghiệp Mã số: 60580208 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015 -i- CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Thời Trung Cán hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Lương Văn Hải Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Bùi Công Thành Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Vãn Hiếu Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày 18 tháng 02 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn sĩ gồm: PGS.TS Nguyễn Trung Kiên Chủ tịch Hội đồng PGS.TS Bùi Công Thành Thành viên - Cán phản biện TS Nguyễn Văn Hiếu Thành viên - Cán phản biện TS Nguyễn Hồng Ân Thành viên TS Hồ Đức Duy Thư ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG - ii CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Ngày, tháng, năm sinh: Trần Minh Lam 24/12/1983 MSHV: 13210143 Nơi sinh: Sóc Trăng Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình Dân dụng Công nghiệp Mã số: 60580208 I TÊN ĐÈ TÀI: TỐI ƯU HÓA DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY CHO KẾT CẤU VỎ CÓ DẦM GIA CƯỜNG SỬ DỤNG GIẢI THUẬT MỘT VÒNG LẶP ĐƠN NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nắm sở lý thuyết cần thiết để thành lập toán tối ưu dựa độ tin cậy kết cấu vỏ có dầm gia cường - Nắm giải thuật vòng lặp đơn áp dụng giải tốn tối ưu hóa dựa độ tin cậy thành lập - Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để tính tốn kết số - Kiểm tra, so sánh kết số với kết chưa xét độ tin cậy II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 04/12/2015 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Nguyễn Thời Trung PGS.TS Lương Văn Hải Tp.HCM, ngày 04 tháng 12 năm 2015 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CBHD 1: PGS.TS Nguyễn Thời Trung CBHD 2: PGS.TS Lương Văn Hải CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG -3 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thời Trung PGS.TS Luơng Văn Hải Cảm ơn hai thầy thời gian qua tận tình hướng dẫn cho tơi từ bước tiếp xúc với đề tài hoàn thành luận văn Thầy truyền cảm hứng, giúp định hướng đề tài nghiên cứu tạo cho tơi niềm tin để hồn thiện việc nghiên cứu khoa học Kế đến xin cảm ơn NCV Hồ Hữu Vịnh giúp đỡ, hỗ trợ đồng hành với suốt thời gian làm luận văn Những đóng góp, hướng dẫn, chia kiến thức giúp cho nhiều định hướng nghiên cứu Tôi xin cám ơn thầy giảng dạy tơi q trình học cao học Trường Đại học Bách khoa TP.HCM Chính kiến thức thầy cô truyền đạt tạo tảng quan trọng cho thực luận văn Tôi xin cám ơn Ban Giám đốc Sở Xây dựng tỉnh Sóc Trăng, Giám đốc Ban QLDA Xây dựng cơng trình đồng nghiệp giúp đỡ tạo điều kiện cho học cao học Cuối cùng, cám ơn ba, mẹ người thân ln cận kề động viên, chia khó khăn, tạo nguồn động lực to lớn để tiếp tục theo đuổi việc học Cám ơn người bạn hỗ trợ thời gian qua Tp.HCM, ngày 04 tháng 12 năm 2015 Trần Minh Lam -4 TÓM TẮT Luận văn nhằm nghiên cứu cách thành lập giải tốn tối ưu hóa dựa độ tin cậy (RBDO-Reliability Based Design Optimization) cho kết cấu vỏ Reissner- Mindlin gia cường dầm Timoshenko sử dụng giải thuật vòng lặp đơn xác định (SLDM-Single Loop Deterministic Method) Bài toán RBDO thành lập bao gồm: Hàm mục tiêu cực tiểu khối lượng kết cấu; Biến thiết kế bề dày vỏ, chiều rộng chiều cao gân gia cường; Hàm ràng buộc ứng xử chuyển vị tần số dao động riêng ràng buộc độ tin cậy cho trước; Biến ngẫu nhiên chọn số mô-đun đàn hồi, tải trọng tác dụng khối lượng riêng Để phân tích ứng xử thành lập ràng buộc toán RBDO cho kết cấu vỏ gia cường, luận văn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trơn (S-FEM - Smoothed Finite Element Method) phần tử tử vỏ phẳng rời rạc lệch trượt ba nút làm trơn (CS-DSG3-Cell based Smoothed Discrete Shear Gap method using triangular elements) De giải toán RBDO sau thành lập, luận văn sử dụng giải thuật SLDM đề xuất gần cho toán kiểm tra (benchmarks) Thuật toán thực 02 bước sau: (1) Chuyển đổi ràng buộc độ tin cậy thành ràng buộc tiền định, (2) Giải toán tối ưu hóa sau chuyển đổi ràng buộc độ tin cậy thành ràng buộc tiền định Tuy nhiên, giải thuật SLDM tồn số hạn chế định sử dụng phương pháp tối ưu dựa thông tin đạo hàm để giải toán tối ưu bước nên nghiệm tối ưu thường kẹt nghiệm cực trị địa phương Đe vượt qua nhược điểm này, luận văn sử dụng giải thuật tối ưu hóa tiến hóa (DE-Differential Evolution) thay phương pháp tối ưu hóa dựa thơng tin đạo hàm bước giải thuật SLDM nhằm tìm kiếm nghiệm tối ưu tồn cục cho tốn tối ưu Ket toán RBDO so sánh, đánh giá với kết toán tối ưu hóa chưa xét đến độ tin cậy kết tối ưu hóa xét đến hệ số an toàn theo tiêu chuẩn thiết kế -V- LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận văn “Tối ưu hóa dựa độ tin cậy cho kết cấu vỏ có dầm gia cường sử dụng giải thuật vòng lặp đơn” cơng việc tơi thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thời Trung PGS.TS Lương Văn Hải Các kết luận văn trung thực chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm công việc thực Tp.HCM, ngày 04 tháng 12 năm 2015 Trần Minh Lam - vi - MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv LỜI CAM ĐOAN V MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xii CHUƠNG TÔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vỏ gia cuờng 1.2 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học thục tiễn đề tài 1.3 Tình hình nghiên cứu 1.4 Cấu trúc luận văn CHUƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phân tích kết cấu vỏ Reissner-Mindlin gia cuờng dầm Timoshenko phần tửCS-DSG3 2.1.1 Lý thuyết vỏ thoải Reissner-Mindlin 2.1.2 Lý thuyết dầm Timoshenko 10 2.1.3 Lý thuyết vỏ Reissner-Mindlin đuợc gia cuờng dầm Timoshenko 12 2.1.4 Phưorng pháp phần tử hữu hạn cho vỏ Reissner-Mindlin gia cường dầm Timoshenko 18 2.1.5 Phân tích ứng xử kết cấu vỏ Reissner-Mindlin gia cường phần tử dầm Timoshenko phần tử tam giác CS-DSG3 24 2.2 Tổng quan tốn tối ưu hóa dựa độ tin cậy 31 2.2.1 Lý thuyết tối ưu hóa kết cấu 31 2.2.2 Lý thuyết phân tích độ tin cậy 34 2.2.3 Tối ưu hóa dựa độ tin cậy 35 2.3 Giải thuật vòng lặp đorn cho tốn tối ưu hóa dựa độ tin cậy 36 2.3.1 Chuyển đổi ràng buộc độ tin cậy sang ràng buộc tiền định 37 - vii 2.3.2 Giải thuật tiến hóa khác biệt (DE) 43 2.3.3 Phương pháp phân tích độ tin cậy bậc (FORM) 47 CHƯƠNG KẾT QUẢ SỐ 50 3.1 Bài toán RBDO trường hợp ứng xử tĩnh học 50 3.1.1 Bài toán vỏ trụ công-xôn gia cường dầm đồng tâm 51 3.1.2 Bài tốn vỏ trụ cơng-xơn gia cường dầm tâm theo biên thẳng hai dầm lệch tâm theo phương cong 55 3.1.3 Bài toán vỏ cầu có 01 biên ngàm gia cường dầm đồng tâm 59 3.1.4 Nhận xét chung cho 03 toán tối ưu hóa, RBDO kết cấu vỏ có dầm gia cường trường hợp ứng xử tĩnh học 63 3.2 Bài toán RBDO trường hợp ứng xử dao động tự 64 3.2.1 Bài tốn vỏ cầu có biên tựa đơn gia cường hai dầm cong đồng tâm trực giao 65 3.2.2 Bài toán vỏ trụ gia cường dầm lệch tâm có biên cong ngàm 69 3.2.3 Nhận xét chung cho 02 toán tối ưu hóa, RBDO kết cấu vỏ có dầm gia cường trường hợp ứng xử dao động tự 73 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 4.1 Kết luận 75 4.2 Kiến nghị 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC 81 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 103 -8- DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 ứng dụng vỏ gia cường cơng trình cầu Hình 1.2 ứng dụng vỏ gia cường chế tạo vỏ tàu Hình 1.3 ứng dụng vỏ gia cường chế tạo thân máy bay Hình 1.4 ứng dụng vỏ gia cường cơng trình xâydựng - Viện cơng nghệ Massachusetts (MIT) Hình 2.1 Sơ đồ giải thuật vòng lặp đơn Hình 2.2 Chuyển vị góc xoay lý thuyết vỏ Hình 2.3 Chuyển vị góc xoay lý thuyết dầm 11 Hình 2.4 Vỏ có dầm gia cường 12 Hình 2.5 Vỏ phẳng gia cường gân 13 Hình 2.6 Phần tử tam giác nút 19 Hình 2.7 Phần tử nút 22 Hình 2.8 Phần tử tam giác nút 25 Hình 2.9 Phần tử tam giác nút DSG3 hệ tọa độ địa phương 26 Hình 2.10 Ba tam giác APA2,A3 phần tử CS-DG3 28 Hình 2.11 Tối ưu hóa chưa xét độ tin cậy xét đến độ tin cậy 35 Hình 2.12 Minh họa điểm MPP FORM 38 Hình 2.13 Tiến trình RBDO phương pháp lặp 39 Hình 2.14 Biểu đồ vùng an tồn 40 Hình 2.15 Sơ đồ giải thuật tiến hóa khác biệt DE 43 Hình 2.16 Cơ chế đột biến giải thuật DE sử dụng tốn tử đột biến rand/1.44 Hình 2.17 Cơ chế tạo véc-tơ thử nghiệm 45 Hình 2.18 Sơ đồ chi tiết giải thuật tiến hóa khác biệt DE 46 Hình 2.19 Điểm thiết kế MPP UMPP không gian vật lý khơng gian chuẩn hóa 48 Hình 2.20 Sơ đồ thuật toán xác định số độ tin cậy Ịì 49 Hình 3.1 Vỏ trụ cơng-xơn gia cường dầm đồng tâm 51 Hình 3.2 Biểu đồ so sánh kết hàm mục tiêu tốn tối ưu hóa vỏ trụ cơng-xơn gia cường dầm đồng tâm 52 -9- Hình 3.3 Biểu đồ so sánh độ tin cậy kết cấu toán tối ưu hóa vỏ trụ cơng-xơn gia cường dầm đồng tâm 53 Hình 3.4 Quá trình hội tụ hàm mục tiêu tốn SLDM-RBDO vỏ trụ cơng- xơn gia cường dầm đồng tâm ứng với độ tin cậy 99% 53 Hình 3.5 Vỏ trụ công-xôn gia cường dầm tâm theo biên thẳng hai dầm lệch tâm theo phương cong 55 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh kết hàm mục tiêu toán tối ưu hóa vỏ trụ cơng-xơn gia cường 01 dầm tâm 02 dầm lệch tâm 56 Hình 3.7 Biểu đồ so sánh độ tin cậy kết cấu tốn tối ưu hóa vỏ trụ công-xôn gia cường 01 dầm tâm 02 dầm lệch tâm 57 Hình 3.8 Quá trình hội tụ hàm mục tiêu tốn RBDO vỏ trự cơng-xơn gia cường 01 dầm tâm 02 dầm lệch tâm ứng với r, = 99% 57 Hình 3.9 Vỏ cầu có biên ngàm gia cường dầm tâm (a) vỏ cầu gia cường dạng 3D, (b) mặt cắt OXZ , (c) mặt cắt OXY, (d) chi tiết dầm gia cường 59 Hình 3.10 Biểu đồ so sánh kết hàm mục tiêu toán tối ưu hóa vỏ cầu có biên ngàm gia cường dầm đồng tâm 61 Hình 3.11 Biểu đồ so sánh độ tin cậy kết cấu toán tối ưu vỏ cầu có biên ngàm gia cường dầm đồng tâm 61 Hình 3.12 Quá trình hội tụ hàm mục tiêu tốn SLDM-RBDO vỏ cầu có biên ngàm gia cường dầm đồng tâm ứng với độ tin cậy 99% 62 Hình 3.13 Vỏ cầu có biên tựa đơn giản gia cường hai dầm cong trực giao 65 Hình 3.14 Biểu đồ so sánh kết hàm mục tiêu tốn tối ưu hóa vỏ cầu có biên tựa đơn gia cường hai dầm cong đồng tâm trực giao 66 Hình 3.15 Biểu đồ so sánh độ tin cậy kết cấu tốn tối ưu vỏ cầu có biên tựa đơn gia cường hai dầm cong đồng tâm trực giao 67 Hình 3.16 Quá trình hội tụ hàm mục tiêu toán RBDO kết cấu vỏ cầu có biên tựa đơn gia cường hai dầm cong đồng tâm trực giao ứng với độ tin cậy 99% 67 -70 - -71 - -72 - -73 - -74 - -75 - -76 - -77 - -78 - -79 - -80 - -81 - -82 - -83 - 1123 -84 - ... toán tối ưu dựa độ tin cậy kết cấu vỏ có dầm gia cường - Nắm giải thuật vòng lặp đơn áp dụng giải tốn tối ưu hóa dựa độ tin cậy thành lập - Sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab để tính tốn kết số... ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp Mã số: 60580208 I TÊN ĐÈ TÀI: TỐI ƯU HÓA DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY CHO KẾT CẤU VỎ CÓ DẦM GIA CƯỜNG SỬ DỤNG GIẢI THUẬT MỘT VÒNG LẶP ĐƠN NHIỆM... thuyết phân tích độ tin cậy 34 2.2.3 Tối ưu hóa dựa độ tin cậy 35 2.3 Giải thuật vòng lặp đorn cho tốn tối ưu hóa dựa độ tin cậy 36 2.3.1 Chuyển đổi ràng buộc độ tin cậy sang ràng