Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Обеспечение экономии материалов и снижение затрат особенно актуально на новом этапе развития строительного производства. Стремление к оптимизации и максимальному облегчению металлических конструкций требует особого внимания к обеспечению их надежности из-за уменьшения «запаса прочности» и увеличения нагрузок от современного оборудования, учета динамических воздействий, природных условий и других факторов. Одним из способов получения экономичных и в то же время надежных конструкций служит автоматизированное оптимальное проектирование. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что использование систем автоматизированного проектирования (САПР) во много раз ускоряет процесс проектирования и обеспечивает значительное снижение затрат и экономию материалов.
Развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) шло по нескольким направлениям:
1) использование сложных и достаточно точных расчетных моделей типа конечно-элементных; 2) развитие и использование графических комплексов типа ACAD; 3) создание баз данных, включающих сортаменты, описание марок сталей, данные ГОСТ и т.п.; 4) программы расчета по строительным нормам и правилам (СНиП). Однако такого рода вычислительные комплексы, как правило, не полностью отражают особенности расчетов по определению несущей способности, т.е. проверки прочности, устойчивости современных и в особенности оптимальных металлоконструкций.
В современных системах автоматизированного проектирования, несмотря на достижения в теории и практике оптимизации, практически отсутствуют подсистемы оптимального проектирования. Это связано с тем, что оптимальное проектирование в условиях САПР требует разработки специфических расчетных и математических моделей и методов оптимизации и переработки большого объема исходной информации и анализа информации, полученной в результате расчета. Использование частных оптимизационных программ приводит к существенным затратам времени проектировщиков, увеличению трудоемкости проектирования, поэтому оптимизация в реальном проектировании применяется в единичных случаях.
Данная диссертация посвящена актуальному вопросу создания методологии оптимального проектирования и расчета в условиях САПР элементов металлического каркаса, работающих при плоском и пространственном воздействии и имеющих разнообразную конфигурацию. Рассмотрены теоретические вопросы, связанные с необходимостью автоматизации расчетов, сжато-изогнутых, растянуто-изогнутых элементов металлического каркаса. Предложена новая оптимизационная многокритериальная модель и методика дискретной оптимизации при подборе сечений этих элементов.
Цель диссертации. - разработка подсистемы САПР по оптимальному проектированию различных типов элементов стальных каркасов на основе использования методов и алгоритмов многокритериальной оптимизации.
При осуществлении этой цели поставлены следующие задачи: разработать общую методологию оптимального проектирования, основанную на декомпозиции и поэтапном решении задачи.
произвести выбор и обоснование критериев качества, сформировать новые математические оптимизационные модели, выполнить анализ их свойств, составить алгоритмы решения задач на отдельных этапах оптимизации и расчета.
провести исследования и разработку методики расчетов на прочность, общую и местную устойчивость, уточняющие и дополняющие требования СНиП П-23-81* "Стальные конструкции".
разработать методику использования разработанной САПР в условиях реального проектирования. Провести исследования материалоёмкости и стоимости ряда крупных объектов энергетики (ГРЭС и АЭС).
Научная новизна. Получены следующие новые результаты:
-
Построена новая математическая модель оптимального проектирования элементов металлического каркаса, включающая три функции цели, конструктивные и расчетные ограничения. В целях включения в САПР проведена универсализация ограничений по прочности при пространственном нагружении.
-
Для применения нормативной методики проверки местной устойчивости стенок изгибаемых балок в ограничениях по проверке устойчивости стенок сжато-изгибаемых ригелей получены формулы для определения требуемой жесткости продольного ребра и разработана методика определения приведенной высоты сечения.
-
Разработаны алгоритмы и программы решения трехкритериальной оптимизационной задачи по методу критериальных уступок, использующие свойства математической модели в пространстве дискретных параметров и отсечение <шепригодных» множеств путём ранжирования ограничений и решения обратных задач.
-
Разработана структура САПР и методология реального проектирования каркасов при подключении к САПР ПСМК других расчетных комплексов по статическому и динамическому расчету. Программы подбора сечений и расчетных ограничений, разработанные автором, включены в САПР ПСМК для оптимизации и расчета.
5 .При использовании САПР ПСМК установлены некоторые закономерности изменения металлоемкости, стоимости, трудоёмкости каркасов АЭС и ГРЭС при оптимизации.
Практическое значение заключается в следующем: - разработанные оптимизационные модели и алгоритмы реализованы как в виде отдельных программ, так и в виде подсистемы САПР, что позволяет в 10-12 раз сократить время проектирования при обеспечении высокой надежности и экономии металла на 10-15 %.
использование программ и подсистемы САПР, построенных на основе теоретических разработок, изложенных в диссертации, позволило решить ряд реальных задач оптимального проектирования каркасов ГРЭС и АЭС, и получить экономию стали от 8 до 19 % при снижении стоимости конструкций.
подсистема САПР ПСМК была внедрена на ЕС ЭВМ в 17 проектных организациях СССР и используется в настоящее время для выполнения оптимизационных и обычных расчетов на персональных ЭВМ, что подтверждается соответствующими справками.
Достоверность предложенных методик и алгоритмов оптимизационных расчетов подтверждается сравнением с результатами, полученными при решении тестовых примеров другими авторами, а также анализом результатов оптимизации на основе хорошо апробированных методов строительной механики и требований СНиП П-23-81*.
Апробация. Содержание диссертационной работы доложено и одобрено на конференциях "Проблемы оптимизации и надежности в строительной механике" (Вильнюс, 1988 г.), "Проблемы снижения материалоемкости силовых конструкций" (Горький, 1984 г.}. на школах-семинарах по вопросам САПР в строительстве (Ростов-на-Дону, 1983, 1986, 1987 г.), на научных семинарах кафедры строительной механики СамГАСА и научно-технических конференциях СамГАСА (1985-1998 г.), на международных конференциях "Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных и пластмассовых конструкций" (Самара, 1996 г.), "Численные и аналитические методы расчета конструкций" (Самара, 1998 г.) Основные положения диссертации опубликованы в 17 печатных работах.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, заключения и пяти
глав, включает список литературы (154 наименования) и приложение. Матери
ал работы изложен на 143 страницах машинописного текста, содержит 12
таблиц, 23 рисунка, библиографию из 154 наименований. Приложение вклю
чает акты и справки внедрения и составляет страниц.