Tối ưu vị tướng kết cấu dàn bằng thuật giải di truyền

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN PHI LONG TỐI ƯU VỊ TƯỚNG KẾT CẤU DÀN BẰNG THUẬT GIẢI DI TRUYỀN Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số ngành: 60 58 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Cán hướng dẫn: PGS TS Bùi Công Thành Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Nguyễn Thời Trung TS Nguyễn Hồng Ân TS Hồ Đức Duy PGS TS Nguyễn Thị Hiền Lương PGS TS Bùi Công Thành CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN PHI LONG MSHV: 11216045 Ngày, tháng, năm sinh: 26/03/1988 Nơi sinh: Thái Nguyên Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 605820 I TÊN ĐỀ TÀI: TỐI ƯU VỊ TƯỚNG KẾT CẤU DÀN BẰNG THUẬT GIẢI DI TRUYỀN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Sử dụng thuật giải di truyền (Genetic Algorithm) phân tích tối ưu vị tướng cho kết cấu dàn, sử dụng phương pháp chọn lọc bánh xe Roullete (Roullete Wheel Selection) phương pháp du đấu (Tournament Selection) Sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab để mơ tính tốn ví dụ số So sánh kết đạt với kết nghiên cứu ngồi nước Viết chương trình tính toán tối ưu vị tướng kết cấu dàn phẳng thuật giải di truyền ngơn ngữ lập trình matlab III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS BÙI CÔNG THÀNH Tp HCM, ngày tháng năm 20… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (Họ tên chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ nằm hệ thống luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả tự nghiên cứu, biết cách giải vấn đề cụ thể đặt thực tế xây dựng, nâng cao khả lập trình tính tốn ứng dụng cơng nghệ thơng tin vào nghiên cứu khoa học,… Đó trách nhiệm niềm tự hào học viên cao học Để hoàn thành luận văn này, tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS TS BÙI CƠNG THÀNH tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, phương pháp tư suy luận,… để giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn q Thầy Cơ Khoa Kỹ thuật Xây dựng trường Đại học Bách Khoa Tp HCM truyền dạy kiến thức quí giá, giúp ích nhiều cho tơi q trình thực luận văn này, kiến thức kiến thức tảng thiếu đường nghiên cứu khoa học nghiệp sau Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành tới bạn học viên cao học khóa 2011, đồng nghiệp tơi giúp tơi có thêm kinh nghiệm việc nghiên cứu vấn đề học thuật Luận văn thạc sĩ hoàn thành thời gian qui định với nỗ lực thân, nhiên khơng thể khơng có thiếu sót Kính mong q Thầy Cơ dẫn thêm để tơi bổ sung kiến thức hồn thiện thân Xin trân trọng cảm ơn Tp HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013 NGUYỄN PHI LONG iii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn nhằm khảo sát hiệu thuật giải di truyền (Genetic Algorithm, GA) toán tối ưu vị tướng kết cấu dàn phẳng Phương pháp chọn lọc bánh xe Roullete (Roullete Wheel Selection, RWS) phương pháp chọn lọc Du đấu (Tournament Selection, TS) áp dụng để so sánh hiệu chúng thuật giải di truyền áp dụng vào toán tối ưu vị tướng kết cấu dàn Vị tướng kết cấu dàn nghiên cứu hình thành dựa kết cấu đề xuất Dorn (1964) [22] , kết nối nút hồn tồn ngẫu nhiên Các ràng buộc ứng suất, chuyển vị, ổn định chịu nén đưa vào phân tích tốn Nghiên cứu áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ứng suất chuyển vị kết cấu dàn tác dụng tải trọng tĩnh Điều kiện biến hình kết cấu dàn phẳng nghiên cứu phân tích dựa tính suy biến ma trận độ cứng phần tử Ttrong luận văn tác giả áp dụng phương pháp mã hóa dạng vec tơ đề xuất sử dụng cách mã hóa dạng số thực liệu liên hệ với nhằm điều chỉnh cho phù hợp với toán tối ưu vị tướng Tác giả đề xuất hiệu chỉnh phương pháp xác định hàm thích nghi nhằm loạ i bỏ lời giải có hàm mục tiêu q lớn vịng lặp đầu đồng thời khuyến khích lời giải có mức độ thay đổi hàm mục tiêu nhỏ vòng lặp hội tụ sau Kết luận văn chương trình tính tốn viết ngơn ngữ lập trình matlab độc lập với hàm GA chung Matlab nhằm điều chỉnh phù hợp với toán tối ưu vị tướng tiết diện luận văn Trong luận văn ví dụ số mơ tính tốn ngơn ngữ lập trình Matlab Các ví dụ số phân tích áp dụng phương pháp chọn lọc RWS TS Các kết phân tích luận văn so sánh với kết tối ưu nghiên cứu nước trước iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công việc tơi thực Các kết luận văn thật chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm cơng việc thực Tp HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013 NGUYỄN PHI LONG v MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .x MỘT SỐ KÍ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN xii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vị tướng .1 1.2 Tổng quan toán tối ưu vị tướng kết cấu dàn 1.3 Tình hình nghiên cứu 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.4 Mục Tiêu Và Phạm Vi Đề Tài 1.5 Bố Cục Luận Văn CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .9 2.1 Bài toán tối ưu vị tướng dàn 2.1.1 Phát biểu toán 2.1.2 Các ràng buộc 10 2.2 Thuật giải di truyền truyền thống 11 2.3 Thuật giải di truyền gần nghiên cứu 14 2.3.1 Phương pháp mã hóa 14 2.3.2 Q trình chọn lọc 17 2.3.3 Quá trình lai tạo 20 2.3.4 Quá trình đột biến 21 2.3.5 Đánh giá độ thích nghi 22 2.4 Phương pháp hình thành vị tướng 25 2.5 Phân tích nội lực 26 vi 2.6 Điều kiện biến hình 26 2.7 Lưu đồ thuật giải di truyền nghiên cứu .27 2.7.1 Thuật giải sử dụng phương pháp chọn lọc bánh xe Roullete (GA- RWS) 2.7.2 27 Thuật giải sử dụng phương pháp chọn du đấu (GA-TS) 31 CHƯƠNG 3: VÍ DỤ SỐ 34 3.1 Bài toán nút 10 35 3.1.1 Kết GA-RWS1 36 3.1.2 Kết GA-RWS2 38 3.1.3 Kết GA-TS1 39 3.1.4 Kết GA-TS2 42 3.1.5 Tổng hợp kết 43 3.2 Bài toán nút 15 46 3.2.1 Kết GA-RWS1 46 3.2.2 Kết GA-RWS2 48 3.2.3 Kết GA-TS1 51 3.2.4 Kết GA-TS2 52 3.2.5 Tổng hợp kết tốt 54 3.3 Bài toán nút 13 57 3.4 Bài toán 10 nút 26 60 3.5 Một số nhận xét cho toán nút 65 3.6 Khảo sát thay đổi thông số ban đầu tới kết toán Tối ưu vi tướng kết cấu dàn thuật giải di truyền 66 3.6.1 Ảnh hưởng số lượng cá thể quần thể 67 3.6.2 Ảnh hưởng xác suất chọn lọc 68 3.6.3 Ảnh hưởng xác xuất đột biến, Pd 69 3.6.4 Ảnh hưởng xác xuất lai tạo, Pl 70 3.7 Một số toán khác 71 3.7.1 10 nút 26 thanh, liên kết nối đất 71 3.7.2 Kết cấu 18 nút 51 thanh, liên kết nối đất 79 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86 vii 4.1 Kết luận 86 4.2 Những đóng góp luận văn .87 4.3 Kiến nghị 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 PHỤ LỤC 94 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 132 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 giới hạn khơng gian thiết kế Hình 1-2 Hình thành nút khơng gian thiết kế Hình 1-3 Một số vị tướng có kết cấu cầu Hình 1-4 Các loại tốn tối ưu vị tướng kết cấu dàn Hình 2-1 Mã hóa nhiễm sắc thể 17 Hình 2-2 Bàn Roullete thuật giải di truyền 18 Hình 2-3 Kết cấu hình thành theo Dorn [22] 25 Hình 2-4 Kết cấu điều chỉnh 26 Hình 2-5 Lưu đồ thuật giải di truyền, phương pháp chọn lọc bánh xe Roullete 28 Hình 2-6 Sơ đồ chọn lọc GA-RWS 29 Hình 2-7 Sơ đồ đột biến GA-RWS 29 Hình 2-8 Sơ đồ lai tạo GA-RWS 30 Hình 2-9 Lưu đồ thuật giải di truyền sử dụng phương pháp chọn lọc du đấu 31 Hình 2-10 Sơ đồ chọn lọc GA-TS 32 Hình 2-11 Sơ đồ đột biến GA-TS 32 Hình 2-12 Sơ đồ lai tạo GA-TS 33 Hình 3-1 Kết cấu tốn nút 10 35 Hình 3-2 Kết vị tướng tối ưu theoGA-RWS1 36 Hình 3-3 Sự thay đổi hàm mục tiêu theo hệ (GA-RWS1) 37 Hình 3-4 Kết thống kê sau 50 lần chạy(GA-RWS1) 37 Hình 3-5 Sự thay đổi hàm mục tiêu theo hệ (GA-RWS2) 38 Hình 3-6 Kết 30 lần chạy (GA-RWS2) 39 Hình 3-7 Kết vị tướng tối ưu theo GA-TS1 40 Hình 3-8 Sự thay đổi Hàm mục tiêu theo hệ (GA-TS1) 41 Hình 3-9 Kết lần chạy (GA-TS1) 41 Hình 3-10 Sự thay đổi Hàm mục tiêu theo hệ (GA-TS2) 43 Hình 3-11 Kết 40 lần chạy (GA-TS2) 43 Hình 3-12 Kết cấu tốn nút 15 46 Hình 3-13 Vị tướng dàn nút 15 (GA-RWS1) 47 Hình 3-14 Sự thay đổi hàm mục tiêu tốn nút 15 (GA-RWS1) 47 Hình 3-15 Kết lần chạy, dàn nút 15 (GA-RWS1) 48 118 % Ham tinh gia tri ham muc tieu function [Wu,Wc, f, f2]=objective(T,nodes,nodecoord,ro,X,leng,stress,st resso,cvi,cvio,nnode,E ) nel=length(T); Wu=0; G=0; k=9/10; % ti so ban kinh va ban kinh ngoai la k % (gia su tiet dien o dang vanh khan) ThongSoPhatMax1=0.5; ThongSoPhatMax2=0.0000001; G2=0; fia=zeros(1,nel); fib=zeros(1,nel); fi=zeros(1,nel); for iel=1:nel % Vong lap cho toan bo cac phan tu if T(iel)==1 Wu=ro*X(iel)*leng(iel)+Wu; G=min(max(0,abs(stress(iel)/stresso)-1),ThongSoPhatMax1)+G; fi(1,iel)=fi(iel)+abs(stress(iel)/stresso) -1; end end U=0; for i=1:(2*nnode) U=max(0,abs(cvi(i)/cvio)-1)+U; end Wc=Wu*(1+(G+U+G2)); f=G+U+G2; f2=fi; end % - End of file - Hàm mục tiêu – có xét ổn định chịu nén % Ham tinh gia tri ham muc tieu function [Wu,Wc, f, f2]=objective(T,nodes,nodecoord,ro,X,leng,stress,stresso,cvi,cvio,nnode,E ) nel=length(T); Wu=0; G=0; k=9/10; % ti so ban kinh va ban kinh ngoai la k % (gia su tiet dien o dang vanh khan) ThongSoPhatMax1=0.5; ThongSoPhatMax2=0.05; G2=0; fia=zeros(1,nel); fib=zeros(1,nel); fi=zeros(1,nel); for iel=1:nel % Vong lap cho toan bo cac phan tu if T(iel)==1 Wu=ro*X(iel)*leng(iel)+Wu; G=min(max(0,abs(stress(iel)/stresso)-1),ThongSoPhatMax1)+G; fi(1,iel)=fi(iel)+abs(stress(iel)/stresso) -1; % XAC DINH SU VI PHAM UNG SUAT EULEUR: if stress(iel)