Введение к работе
: " _ J
:/,-, г Актуальность темы диссертации. Современная стратегия науч-Ь-технйческого развития в строительной индустрии характеризует-:я, с одной стороны, огромным объёмом . массового строительства, . с другой стороны, появлением новых уникальных конструкций, не-:ущих мощное оборудование и весьма часто эксплуатируемых в экстре-іальньїх условиях (сейсмика, спецвоздействия и т.п.).
Очевидно, что требование всемерной экономии материалов явля-тся одним из основных особенностей нового этапа в развитии нашего бшества и, в частности, строительного производства.
Для решения проблемы материалоемкости весьма важно обеспе-ить качественное и эффективное проектирование. В условиях дефи-ита времени проектирования и при отсутствии хорошо проработанных рототипов инженер не в состоянии "вручную" выявить все резервы о снижению расхода материалов и обеспечению эффективности. Мно-олетний опыт работы по программе САПР Минвуза РСФСР показывает, то даже по сравнению с качественным ручным проектированием кар-асов ГРЭС, АЭС и промзданий можно обеспечить экономию стали от 8 о 10 % и более. Выявить имеющиеся резервы можно только на основе спользования специальных оптимизационных моделей и методов, ори-нтированных на применение ЭВМ. Однако, несмотря на бурное разви-ие теории оптимального проектирования (ОП), наличие ряда частных рограмм и успешные результаты их использования, говорить о широ-ом использовании ОП не приходится. Это, по мнению автора, в пер-ую очередь объясняется тем, что отдельное решение задач оптими-ации требует подготовки и дублирования большого объема исходной нформации, а также анализа и обработки данных, полученных после асчета, что существенно увеличивает трудоемкость проектирования, азработка систем автоматизированного проектирования (САПР), ключпющих на общей информационной базе кроме блоков обычного рас-ета и проектирования блоки оптимизации, позволяет решить проблему нижения материалоемкости без увеличения трудоемкости проекти-ования.
Цель исследования. Разработка научных положений, оптимиэа-ионных моделей, методов и алгоритмов, составляющих теоретическую снову для оптимизации в современных САПР, способствующих решению ароднохозяйственной проблемы эффективности строительства.
Для достижения поставленной цели приняты следующие направления исследований:
Разработать многоступенчатую блочную структуру оптимизационного комплекса, включающего модели различного уровня и обеспечивающего гибкое решение подзадач оптимизации и расчета в интерактивном режиме реального автоматизированного проектирования.
Развить достаточно общую теорию построения новых, эффективных в условиях автоматизированного проектирования оптимизационных моделей, которые, в отличие от классических, полностью используют информационную базу метода КЭ, являющегося основой современных САПР, По мнению автора, этому требованию вполне отвечают нелинейные модулярные и аутформы различных видов, предложенные в диссертации. Применение их позволяет свести классическую задачу с ограничениями к задаче без ограничений, обеспечивая при этом условия прочности, устойчивости и совместности деформаций. Блочная структура этих моделей соответствует принципам построения структуры САПР.
Разработать теоретические основы и реализацию алгоритмов решения реальных оптимизационных задач в условиях САПР.
Оптимизируемые стержневые системы должны включать наиболее широко распространенные типы. Например, балки, колонны, связи, обычные и предварительно напряженные фермы, рамы и т.п.
Наряду с разработкой теоретических основ поставлена цель: Создать на полученной научной базе ряд оптимизационных программ и вычислительных комплексов, а также практически действующую подсистему САПР, предназначенную для оптимизации широкого спектра конструкций, их элементов, выполнения статического, динамического и поверочного (по несущей способности и деформациям) расчета, выдачи расчетной и иной информации и внедрения ее в практику проектирования ряда организаций.
Научная новизна заключается в том, что:
впервые сформированы оптимизационные модели стержня и стержневых систем, основанные на нелинейных модулярных формах (МФ] и аутформах (АФ) объема (стоимости), предложенных и исследованных автором;
предложены и изучены различные типы МФ и АФ, имеющих различную физическую природу (прочность, устойчивость, совместность деформаций и т.п.);
разработаны и модифицированы алгоритмы и программы, обеспе-
чивающие оптимизацию конструкций на основе использования Ш и АФ;
сформированы и исследованы новые обобщенные оптимизационные модели стержней и стержневых систем, разработаны алгоритмы и программы оптимизации при существенном ограничении перемещений;
получены специфические модели на МФ и АФ и соответствующие алгоритмы и ЯЛ для оптимизационного расчета предварительно напряженных 4«рм (выбор прочности затяжки, последовательности напряжения, силы предварительного напряжения и жесткости всех элементов);
предложены новые многокритериальные модели для подбора сечений стержней, разработан соответствующий эффективный алгоритм
и ВК отбора паретооптимальных множеств в CAJ1P;
- рассмотрены вопросы связи оптимизационных моделей различ
ного уровня и обоснования сходимости общего процесса поэтапной
оптимизации, основанной на декомпозиции задачи в условиях САПР.
Практическая ценность, эффективность исследований, выполненных в диссертации, заключается в следующем:
- показана принципиальная возможность соединения разработан
ных автором оптимизационных моделей и методов оптимизации с из
вестными расчетными конечно элементными моделями и ВК, а также с
расчетными моделями и алгоритмами проверки несущей способности
по СНиІІ П-23-8І;
разработаны и использованы для практических расчетов методология оптимизации и новые алгоритмы для реализации в условиях САПР;
разработан (при участии автора) программный комплекс для расчета предварительно напряженных стальных ферм;
предложена структура подсистемы САПР, основанная на блочном принципе, декомпозиции задачи проектирования, позволяющая наращивать и дополнять подсистему в области расчетных, оптимизационных и информационных блоков;
полученные в диссертации оптимизационные модели и алгоритмы реализованы как в виде отдельных программ, так и в виде подсистемы САПР ИСМЛ, что позволяет в 5-12 раз сократить время проектирования каркасов при экономии металла 10-15 %;
методы, алгоритмы, программы и вычислительные комплексы, разработанные под руководством и при участии автора, проверены на тестовых примерах, известных по литературе и использовались неоднократно при реальной оптимизации каркасов ГРЭС, АЭС как в Куйбышевском ИСИ, так и в ряде проектных организаций СССР.
Достоверность основных научных положений обеспечивается выбором строго обоснованных в механике расчетных гипотез и предпосылок, применением алгоритмов и методов, для которых исследованы и доказаны единственность или множественность решений; сопоставлением оптимизационных расчетов с тестовыми расчетами и опытными результатами; проверкой оптимальных результатов хорошо апробированными методами обычных расчетов.
Внедрение результатов. Использование ряда программ и подсистемы САПР ПСМК, построенных на основе теоретических разработок, изложенных в диссертации, позволило по заданию ВГПИ Атомэнерго-проект, Теплоэлектропроект решить в КуИСИ за период 1975-1990 гг. ряд реальных задач по оптимальному проектированию каркасов ГРЭС и АЭС. Результаты расчетов использованы заказчиками в проектах. При этом получена экономия стали от В до 19 % при снижении стоимости конструкции. Экономическая эффективность подтверкдена актами и составляет 965 тыс.руб.
Разработанная при участии автора программа Tf\US3 для оптимизации предварительно напряженных ферм включена в отраслевой фонд алгоритмов и программ ГОССТРОЯ СССР.
Подсистема САПР ПСМК внедрена в ряде проектных организации и используется ими самостоятельно в течение нескольких лет для выполнения оптимизационных и обычных расчетов, что подтверждается справками на внедрение. Согласно этим справкам и прилагаемым расчетам экономическая эффективность в проектной организации с объемом проектирования металлоконструкций около I млн.руб. составляет в среднем 80-120 тыс.руб. в год.
Подсистема САПР ЛИРА-ПСМК внедрена также в учебный процесс при выполнении курсовых и дипломных проектов по металлоконструкциям в ЦуИСИ.
- Описание моделей и методов оптимизации с использова
нием МФ и АФ включено в курс лекций, читаемый автором по
строительной механике. Подготовлено учебное пособие (4 п.л.)
и методические указания по расчету с программным обеспече
нием.
Аппробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: Международной конференции по предварительно напряженным металлическим конструкциям (Ленинград, 1971 год), на Всесоюзных конференциях: "ЭВМ в строительной механике" (Ленинград, 1971 г.; Ташкент, 1975 г.), "Проблемы оп-
імизации и надежности в строительной механике" (Вильнюс, 1979, >03, 1988 гг.), "Современные методы и алгоритмы расчета и проек-ірования строительных конструкций с использованием ЭВМ" (Таллинн, 179 г.), "Применение математического моделирования для оптимиза-[и технологических и конструктивных решений в строительстве и юмышленности строительных материалов" (Одесса,'1975 г.), "Пробили снижения материалоемкости силовых конструкций" (Горький, 184 г.). Результаты диссертационной работы докладывались на еже->дных координационных совещаниях ЦНИИСК по вопросам оптимизации инструкций, в том числе в 1986 и 1980 гг., на региональной научай конференции "Проблемы проектирования и внедрения рациональных роительных конструкций в условиях ДВ и БАМ (Хабаровск, 1976 г.), : школах-семинарах по вопросам САПР в строительстве (Ростов-на-ну, 1983, 1986, 1987, 1989 гг.), (Лиев, НШХИМ, 1985 г.), на науч-IX семинарах кафедры металлоконструкций ІСиевского ИСИ, кафедры роительной механики КуИСИ и научно-технических конференциях ИСИ (1975-1987 гг.), на 2-й научной конференции молодых науч-х работников (Болгария, Ст.Загора, 1989 г.), на конференциях и олах-семинарах по ОГЖ (г.Севастополь, 1989, 1991 гг., г.Суздачь, 90 г.). - '
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 47 чатных работах, в монографии "Оптимальное проектирование метал-ческих предварительно напряженных ферм" (совместно с Олько-м Я.И.). Но результатам исследований'выпущено учебное пособие плану Минвуза РСФСР "Математическое моделирование объема стерж-вых систем на основе использования модулярных форм" (Л н.л.); тодические указания по выполнению УНИРС по этой теме по курсу роительной механики.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, зак-чения и семи глав, включает список использованной литературы 73 наименования) и приложение. Материал работы изложен на 443 раницах машинописного текста, содержит 30 таблиц, 73 рисунка, иложение включает акты и справки внедрения результатов и сос-вляет 83 страницы.