Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост объемов, строительства у нас в стране я. за рубежом выдвинул в число важнейших задачи экономии материальных, энергетических.и трудовых ресурсов. В,последние три десятилетия определились два магистральных пути решения этих задач; разработка систем автоматизированного проектирования (САПР) и математических методов оптимизации (ШЛО). Долгое время предполагалось, что успешное самостоятельное развитие МАО я САПР решает в целом проблему оптимального проектирования конструкций (ОПК). Однако, специфические свойства реальных задач ОПК (наличие ограничений; смешанные варьируемые параметры - континуальные, дискретные, целочисленные;.триада много: - параметричносгь, - экстремальность, - критериальносгь; разрывность области поиска и критериев . качества, а также др;) и безграничные возможности построения алгоритмов оптимизации в ШО создала объективные трудности единения
тш и сапр. ''..'
Преодоление возникших затруднений выполняется-путем учета осо
бенностей конкретных конструкций, что в свою очередь увеличивает
число специализированных ррограмм и алгоритмов, в которых все сло
жнее разобраться даже классным специалистам. В этой связи актуаль
но обобщение методов и алгоритмов, придание ям большой гибкости я
универсальности, их ориентация на объектных специалистов с раз- .
личным уровнем математической подготовки и компьютерного образо
вания. . '
К числу важнейших следует отнести проблему использования интел
лекта объектного специалиста,- интуиция исследователя для.ускорения
процесса оптимизации. Поэтому.алгоритмы ОПК должны допускать ак
тивное участие пользователя в организации поиска путем участия в
диалоге, экспертных системах принятия решений, формализации
интуитивных представлений о рациональном проектном решении, ада
птации поисковых процедур. . -
Успешному внедрению ОПК в практику конструкторских и проектных организаций должны способствовать разработки сервисного обеспечения оптимизация, методов и приемов автоматизированной подготовки исходных данных, развитие банков данных о строительных материалах, элементах конструкций, способов накопления информации в условиях итерационности процесса реального проектирования.
3.-.
В данной работе комплексно решается ряд указанных выше проблем в приложениях к металлическим ..сетчатым оболочкам радарных укрытий стержневым конструкциям из цельной и клееной древесины (разработка элементов САЙР деревянных конструкций с учетом анизотропии свойств; сервисное обеспечение раочегов стропильных ферм, несущих каркасов, арочных систем и др.), моделировании структуры пенопла-сгов и оптимальное проектирование элементов из них с использованием более совершенных' расчетных схем, полного параметрического описания и мощной вычислительной техники.
Цэль и задачи работы - развитие теории оптимизации сложных многопараметрических систем в условиях реального проектирования с учетом всего комплекса технических, экономических, социальных, экологических и других требований с разработкой методического и программного обеспечения как общих задач оптимизации, так я конкретных народно-хозяйственных объектов и строительных конструкций.
Б соответствии с целью диссертации определены следующие задачи исследования: -
- обоснование и разработка уняверсальннх гибких алгоритмов оптимизации путем обобщения групп известных стратегий оптимизации; .
предложение приемов формализации инженерных представлений о рациональных Проектах конструкции и их использование при организации поиска оптимальных решений;
программное обеспечение ОПК с учетом всех реальных свойств конструкций, разработка элементов САПР деревянных конструкций;
приложение методов оптимизации к ОПК строительных объектов о учетом особенностей и свойств их расчетных схем, математических Моделей и вычислительной техники расчетов;
разработка инструкций и рекомендаций по практическому использованию развитого методического и программного обеспечения ОПК.
Объектом исследований являлись математические модели механических систем, строительных конструкций и их элементов. Выполнены оптимизация каркасов радиопрозрачных укрытий радаров, различных конструкций из древесины, исследование полидисперсной структуры пено-пласгов и конструкций с их применением. , ' . .
Методика исследований. В работе использованы методы строитель-вой механики и строительных конструкций,' теории вероятностей и математической статистики, вычислительной .математики и численных ме-
.-.-3-
гадов. Оценка эффективности методик и поисковых процедур выполня-
шсь путем статистического моделирования и вычислительных экспери
ментов на ЭВМ, сопоставления полученных, результатов о исследовани-
шв, опубликованными в отечественной и зарубежной научной литера
туре. ' ..
Научная новизна работы заключается в разработке:
- концепции алгоритмов с универсальным и проблемно ориентиро
ванным подходом к оптимальному проектированию конструкций;
- оригинальных гибких алгоритмов статистических испытаний и заправленного случайного поиска с самообучением и адаптацией., обо^ Зщающих две больших группы.поисковых процедур;
методик локальной, тактической и стратегической адаптации . процесса оптимизации с учетом эвристических критериев эффективно-. ств конструкций и статистических характеристик процесса поиска; .
приемов механической регуляризации конечноэлементных аппроксимирующих сеток с учетом особенностей геометрической формы и физико-механических характеристик в тонкостенных плоских и пространственных конструкциях;
пакетов прикладных программ для решения.задач оптимизации многопарамегрическях систем, решения проектных задач для сферических каркасов и плоских несущих деревянных конструкций;
физически, геометрически и механически адекватных математических моделей полидисперсных пеносисгем и алгоритмов проектирования пенопластов с заранее заданным комплексом'физико-механических характеристик.. . .
Практическая ценность ' работы заключается в разработке-алгоритмов оптимизации сложных много'парамегрйческйх систем, позволяющих в два-три и более раз сократить затраты на поиск при прочих не худ-шйх показателях оптимального проекта; На основе развитых методик-и предложенных алгоритмов реализованы программные системы, позволяющие решать задачи ОПК с несколькими сотнями варьируемых параметров; С их помощью, решены задачи и выполнены многовариангные исследования рациональных проектных решений стальных сферических каркасов радиопрозрачных укрытий, деревянных несущих конструкций, панелей из интегральных пенопластов ятрехслойных панелпй'с числом варьируемых- параметров до.семисот и количеством проектных ограничений до полутора тисяч. Программные реализации методик и
гибких алгоритмов, включенных в государственный фонд алгоритмов и программ (ГФАП СССР) и межотраслевые фонды, допускают многова-риангные режимы работы и рассчитаны на пользователей различного уровня специальной подготовки.
Рассматриваемые в диссертации вопросы были включены в коорди
национные планы, работ Госстроя СССР на 1985-1990 гг., а также от
ражены, в Методических рекомендациях по оптимальному проектированию
конструкций.. .
Реализация исследований, Результаты проведенных исследований -
использованы при разработке программного обеспечении оптимизации
(программные системы: "ОДК-ГАСИ"; "ОПК-ГАСП"; "ОПК-ГАСП-ЭКЭ";
''ОДК-Супер-АСО"), систем автоматизированного проектирования Кон
струкций (пакеты прикладных программ: "СФШ-РУ"; "ПРОЕКТ-СДК";
"Сервис-СДК") я моделирования пеносиогем (программные системы:
"ПОЛШЕНА"; "БИШЬ"), ' ,'
Практическая реализация выполненных исследований наша отраже
ние при проведении проектных расчетов и оптимизации различных.кон
струкций} . .
- сферических каркасов радиопрозрачных укрытий по заданию спе
циального консгрукгорско-технологического бюро (СКТБ "Курс",'
г.Сафоново Смоленской области) - многовариангяое проектирование
в оптимизация куполов большого.диаметра;
линзообразных деревянных стропильных ферм с крановой нагрузкой и пролетами от 30 до 50- метров по заданию лаборатории склад- ских помещений (Владимирский филиал)ГипроНИйсельхоз (г.Москва) -для прирельсовых складов минеральных удобрений;
решетчатых арочных систем складских помещений по заданию ЦИТЗПсельхоз (г.Владимир) и ГПИ-І (г.Ленинград);
линзообразных раскосных и безраскосных деревянных стропильных ферм по заданию Гомельграаданпроекга и ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко. (г.Москва);
структур пеношгасгов, интегральных и трехслойных панелей по . заданию ШО "Долимёрсинтеэ" (г.Владимир) и .ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко. (г.Москва).
Программы автора включены в ГФАЇІ СССР, отраслевые фонды (Госстрой, 'Мйягранссгрой,. Госагропром)-, и переданы в на^чно-исоледо-^ вагельские.н проектные организации цИШСК, ШИИпроект,' Гомельграж-данпроект,-ШО "Полимёрсинтез",'ЦИТЗПсельхоз (в н.в. - Гипроагро-
:им), ГипроНШс&льхоэ, ЩШЮ , а также ВУЗы - Щ1Л (г.Владимир), ІИИЖТ (г.Новосибирск).
Результаты исследований включены в Методические.рекомендации
ю методам ОПК, подготовленные ЩШСК ш. В. А.Кучеренко Госстроя
!ССР, использованы при выполнении семи научно-исследовательских
ем а приведены в отчетах. Использование результатов исследований
і научно-исследовательских институтах и научно-производственных
бъединвниих за период с I960 г. .по Ї989 г, позволило -получить
консмичаский эффект; подтвержденный актами внедрения, в размере
коло пятисот тыс.рублей. , . ' , '
Аппробация "Работы. Отдельные положения диссертационной работы
или доложены и обсуждены на Всесоюзных конференциях "Современные
етоды и алгоритмы расчета и проектирования строительных консгрук-j
ий с использованием ЭЖИ (Таллин, 1979 г.), "Проблемы оптимизации
надежности в строительной механике" (Вильнюс, 1983 г.). "Пробле-
u снижения материалоемкости силовых конструкций" (Горький, 1984,
Э89 гг.), "Новые способы получения и области применения газонап
олненных полимеров" (Владимир - IS82 г., Суздаль - 1988 г.), "Чи
ненная реализация физико-механических задач прочности" (Горький,
387 г.), "Математическое и машинное моделирование" (Воронеж,
Шд г.), координационных совещаниях, по случайному поиску а
381 - 90 гг. (Ереван, Мезщуречвнск* Таштагол, Владимир, Рига),
узовских конференциях (Новосибирск, НИШГГ - 1932, 1986 гг.;
іацииир, ВИН -.1973 - 1983 гг.), .па Мездународной конференции
Системный анализ, и исследование операций" (Познань, Польша,
)89 г.) и др. '' . ' ,
В полном объеме диссертационная работа была обсуадена на. объеденном семинаре отделов численных методов и теории сооружений , іревянннх коясгрувдш и легких конструкций ВДИИСК Госстроя СССР. м'&ісква, 1986 г., 1990 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 94 работы, том числе 46 в издательствах по списку ВАК, 2 авторских- свиде-ільсгва, 5 статей в зарубежных издательствах,. 2 программы йіда>-іни в Г5АІЇ СССР, написано 7 научно-иоследо'вательсках 'отчетов.
Структура я объем-диссертации. Диссертация состоит из 9 глав, ъеднненаих в дна раздела й 7 приложений.
Общий объем работы: всего 563 страницы, в том числе 432 страница машинописного текста, 61 страница рисунков, 45 страниц таблиц, 35 страниц программ для ЭШ, список литературы на 54 страницах,, содержащих. 505 работ на русском й 66 работ на. иностранных языках, приложения на 187 страницах.-
Во введении акцентируется внимание на появлении реальных пред-, ' посылок к экономичному расходу ресурсов, ближайшей перспективе широкого практического, использования,теории ОПК, современной оценки состояния оптимизаций и направлений исследований» Отмеча-егоя, что трудами советских ученых Н.В.Баничука, В.В.Болотина', А.И.Виноградова, Е.Н.Герасимова, В.Н.Гордеева, А.С.Дехтяря, И.Н.Калинина, В.А.Комарова, И.Б.Лазарева, Л.С.Ляховича, Д.А.Мацю-лявичуса, В.П.Малкова, В.Н.Мастаченко, Ю.В.Немировского, И.М.Рабиновича, Ю. А. Радцига, Л.А.Расгригина, А.Р.Ржаницина, Н.Н.Склад-нева, А.А.Чяраса, В.Н.Шимановского, А.П.Филина и многих других,' а также исследованиями зарубежных ученых Я.Ароры, А.Брандта, З.Ва-сюгияского, Ф.Гилла, К.Мажида., Е.Мансфилда, У.Мюррея, Н.Ольхоффа, В.Прагера, М.Райга, Э.Хога, Р.Иилда и-других разработаны основы теории .ОПК, предложены оригинальные алгоритмы и методы оптимизации, разработано специальное программное обеспечение.
Дается общая оценка направлений исследований в- реферируемой , работе и приводится ее краткое содержание.