Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy tấm mindlin có gân gia cường bằng giải thuật di truyền và phần tử csdsg3

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tối ưu hóa độ tin cậy tấm Mindlin có gân gia cường bằng giải thuật di truyền và phần tử CSDSG3 trong kỹ thuật xây dựng.

• Tác giả: Võ Thị Mộng Tuyền
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thời Trung
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy tấm Mindlin có gân gia cường bằng giải thuật di truyền và phần tử CS-DSG3
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan

Luận văn tập trung vào việc tối ưu hóa độ tin cậy của tấm Mindlin có gân gia cường bằng cách sử dụng giải thuật di truyền và phần tử CSDSG3. Tấm Mindlin là một mô hình cơ học phổ biến trong kỹ thuật xây dựng, đặc biệt khi có gân gia cường để tăng độ cứng và giảm khối lượng. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng để phân tích ứng xử của tấm, kết hợp với phần tử CSDSG3 để đạt độ chính xác cao. Giải thuật di truyền (GA) được sử dụng để giải bài toán tối ưu hóa độ tin cậy, đảm bảo kết cấu đạt hiệu quả cao nhất về mặt kỹ thuật và kinh tế.

1.1. Tổng quan về tấm có gân gia cường

Tấm có gân gia cường được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, cầu thép, tàu thủy và máy bay. So với tấm thông thường, tấm có gân gia cường có độ cứng chống uốn cao hơn và khối lượng vật liệu giảm đáng kể. Các gân gia cường thường được bố trí dọc theo hướng chịu tải chính để tối ưu hóa hiệu quả. Ứng dụng của tấm có gân gia cường bao gồm kết cấu mái siêu thị, trạm xăng dầu, bể chứa và các công trình nhà dân dụng, công nghiệp.

1.2. Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn trơn SFEM và phần tử CSDSG3

Phương pháp phần tử hữu hạn trơn (SFEM) và phần tử CSDSG3 được sử dụng để phân tích ứng xử của tấm Mindlin. Phần tử CSDSG3 là một phương pháp mới được đề xuất bởi Nguyễn Thời Trung và cộng sự, giúp tăng độ chính xác trong phân tích cơ học. Phương pháp này kết hợp với giải thuật di truyền để giải quyết bài toán tối ưu hóa độ tin cậy, đảm bảo kết cấu đạt hiệu quả cao nhất.

II. Cơ sở lý thuyết

Luận văn trình bày cơ sở lý thuyết về tấm Mindlin và gân gia cường, bao gồm các giả thiết cơ bản, trường chuyển vị, biến dạng và ứng suất. Phương trình năng lượng của tấm Mindlin và gân gia cường được thiết lập để phân tích ứng xử của kết cấu. Phần tử CSDSG3 được sử dụng để mô phỏng và phân tích tấm Mindlin, kết hợp với giải thuật di truyền để tối ưu hóa kết cấu.

2.1. Lý thuyết ứng xử của tấm Mindlin có gân gia cường

Lý thuyết ứng xử của tấm Mindlin có gân gia cường được trình bày chi tiết, bao gồm các giả thiết cơ bản, trường chuyển vị, biến dạng và ứng suất. Phương trình năng lượng của tấm Mindlin và gân gia cường được thiết lập để phân tích ứng xử của kết cấu. Phần tử CSDSG3 được sử dụng để mô phỏng và phân tích tấm Mindlin, kết hợp với giải thuật di truyền để tối ưu hóa kết cấu.

2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn cho bài toán tấm có gân gia cường

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để phân tích tấm Mindlin có gân gia cường. Phần tử CSDSG3 được áp dụng để tăng độ chính xác trong phân tích cơ học. Phương pháp này kết hợp với giải thuật di truyền để giải quyết bài toán tối ưu hóa độ tin cậy, đảm bảo kết cấu đạt hiệu quả cao nhất.

III. Phương pháp tối ưu hóa độ tin cậy

Luận văn trình bày phương pháp tối ưu hóa độ tin cậy bằng cách sử dụng giải thuật di truyền và phần tử CSDSG3. Bài toán tối ưu hóa độ tin cậy được giải quyết thông qua ba bước chính: đánh giá biến ngẫu nhiên, giải bài toán tối ưu bằng giải thuật di truyền, và kiểm tra độ tin cậy bằng phương pháp FORM. Kết quả tối ưu được so sánh với phương pháp SQP để đánh giá hiệu quả.

3.1. Giải thuật di truyền trong tối ưu hóa độ tin cậy

Giải thuật di truyền (GA) được sử dụng để giải bài toán tối ưu hóa độ tin cậy. Phương pháp này bao gồm các bước lựa chọn cá thể, lai ghép và đột biến để tìm ra giải pháp tối ưu. Giải thuật di truyền được kết hợp với phần tử CSDSG3 để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong phân tích cơ học.

3.2. Phương pháp đánh giá độ tin cậy FORM

Phương pháp FORM được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của kết cấu. Phương pháp này dựa trên việc xác định chỉ số độ tin cậy và kiểm tra các ràng buộc về chuyển vị hoặc tần số dao động riêng. Kết quả đánh giá độ tin cậy được sử dụng để điều chỉnh các thông số thiết kế, đảm bảo kết cấu đạt hiệu quả cao nhất.

IV. Kết quả và ứng dụng

Luận văn trình bày các kết quả số từ việc áp dụng giải thuật di truyền và phần tử CSDSG3 trong bài toán tối ưu hóa độ tin cậy. Kết quả cho thấy phương pháp này đạt hiệu quả cao trong việc tối ưu hóa kết cấu tấm Mindlin có gân gia cường. Các ứng dụng thực tế của phương pháp này bao gồm thiết kế cầu thép, kết cấu máy bay và các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp.

4.1. Kết quả số từ bài toán tối ưu hóa

Các kết quả số từ bài toán tối ưu hóa độ tin cậy được trình bày chi tiết, bao gồm các biểu đồ so sánh năng lượng biến dạng và khối lượng kết cấu. Kết quả cho thấy phương pháp giải thuật di truyền kết hợp với phần tử CSDSG3 đạt hiệu quả cao hơn so với phương pháp SQP.

4.2. Ứng dụng thực tế của phương pháp

Phương pháp tối ưu hóa độ tin cậy bằng giải thuật di truyền và phần tử CSDSG3 được áp dụng trong thiết kế cầu thép, kết cấu máy bay và các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp. Kết quả cho thấy phương pháp này đem lại hiệu quả cao về mặt kỹ thuật và kinh tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- VÕ THỊ MỘNG TUYỀN TỐI ƯU HÓA DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY TẤM MINDLIN CÓ GÂN GIA CƯỜNG BẰNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀ PHẦN TỬ CS-DSG3 Chuyên ngành : Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số : 60 58 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2013 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1 : TS. NGUYỄN THỜI TRUNG Cán bộ hướng dẫn khoa học 2 : TS.

LƯƠNG VĂN HẢI Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. BÙI CÔNG THÀNH Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS. NGUYỄN THỊ HIỀN LƯƠNG Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 31 tháng 01 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1.

BÙI CÔNG THÀNH 2. NGUYỄN THỊ HIỀN LƯƠNG 3. NGUYỄN THỜI TRUNG 4. HỒ ĐỨC DUY 5.

LÊ TRUNG KIÊN 6. NGUYỄN TRUNG KIÊN Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa. CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… 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: VÕ THỊ MỘNG TUYỀN. MSHV : 11210254 Ngày, tháng, năm sinh: 29/06/1986 .Huế Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số : 60 58 20 I.

TÊN ĐỀ TÀI: TỐI ƯU HÓA DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY TẤM MINDLIN CÓ GÂN GIA CƯỜNG BẰNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀ PHẦN TỬ CS-DSG3 II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Dùng phần tử CS-DSG3 để phân tích tấm Mindlin có gân gia cường. Giải bài toán tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền GA.

Dùng phương pháp FORM để đánh giá độ tin cậy. Giải bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy tấm Mindlin có gân gia cường bằng giải thuật 3 bước. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :. NGUYỄN THỜI TRUNG 2. LƯƠNG VĂN HẢI Tp. HCM, ngày 31 tháng 01 năm 2013.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS. NGUYỄN THỜI TRUNG TS. LƯƠNG VĂN HẢI TRƯỞNG KHOA i Lời cảm ơn Luận văn được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và nguồn động viên to lớn từ phía gia đình, người thân, những người luôn dõi theo và ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi xin chân thành cảm ơn đến Thầy TS.

Lương Văn Hải đã tận tình giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn và quý thầy cô khoa Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức nền tảng. Tôi xin cả. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Công ty cổ phần tư vấn xây dựng Phú Cơ, đặc biệt là KTS.

Vòng Vảy Pắn đã tạo điều kiện về mọi mặt để tôi có điều kiện học tập, nghiên cứu trong thời gian qua. Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Bùi Xuân Thắng, ThS. Phùng Văn Phúc, KS.

Hồ Hữu Vịnh và các anh trong nhóm nghiên cứu FOSAT đã luôn chia sẽ và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Đặc biệt, thông qua bài luận văn, tôi xin thể hiện lòng tri ân sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Thời Trung. Thầy không những đã truyền cho tôi nhiều kiến thức kinh nghiệm quý giá, mà còn truyền lòng nhiệt huyết, niềm đam mê và tình yêu với công việc.

Cuối cùng tôi xin cảm ơn đến ba mẹ đã luôn động viên tôi trên từng bước đi, trên từng chặng đường vui buồn và khó khăn; cảm ơn người thân và bạn bè đã luôn ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua. Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 01 năm 2013 Tác giả luận văn Võ Thị Mộng Tuyền ii Tóm tắt Trong luận văn này, học viên sẽ trình bày một cách thiết lập và giải bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy tấm Mindlin có gân gia cường. Để phân tích ứng xử của tấm Mindlin, học viên sử dụng phần tử tam giác CS-DSG3 vừa được đề xuất gần đây bởi Nguyễn Thời Trung và cộng sự [1]. Biến ngẫu nhiên được chọn là hằng số module đàn hồi, khối lượng riêng và tải trọng tác dụng.

Biến thiết kế là bề dày tấm, chiều rộng và chiều cao gân gia cường. Hàm mục tiêu có thể là năng lượng biến dạng hay khối lượng kết cấu, và chịu các ràng buộc ứng xử về chuyển vị hoặc tần số dao động riêng. Thuật toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy được sử dụng trong luận văn là một vòng lặp kín gồm 3 bước. Bước 1: Đánh giá biến ngẫu nhiên bằng phương pháp chỉ mục độ tin cậy RI.

Bước 2: Giải bài toán tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền GA. Bước 3: Kiểm tra, đánh giá độ tin cậy bằng phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc nhất FORM với hàm trạng thái giới hạn là giới hạn chuyển vị hoặc tần số dao động riêng của kết cấu. Kết quả bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy tấm Mindlin có gân gia cường bằng giải thuật di truyền GA được lập trình bằng ngôn ngữ Matlab và được so sánh với lời giải tham khảo bằng giải thuật bình phương tuần tự SQP. iii Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS.

Nguyễn Thời Trung và TS. Các kết quả trong luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình. Võ Thị Mộng Tuyền iv Mục lục Lời cảm ơn .ii Lời cam đoan.

iii Mục lục. iv Danh mục hình vẽ .vii Danh mục bảng biểu. x Danh mục ký hiệu. Chữ viết tắt.

Ma trận và vectơ .xiv Chƣơng 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN. Tổng quan về tấm có gân gia cường. Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn trơn (SFEM) và phần tử tam giác CS-DSG3. Tổng quan về các phương pháp tối ưu hóa.

Tổng quan về các phương pháp đánh giá độ tin cậy .5 Tổng quan về thuật giải tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy. Tình hình nghiên cứu. Các công trình nghiên cứu ngoài nước. Các công trình nghiên cứu trong nước.

Mục tiêu và hướng nghiên cứu. Cấu trúc luận văn. 11 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Lý thuyết ứng xử của tấm Mindlin có dầm Timoshenko gia cường [16].

Các giả thiết cơ bản. Trường chuyển vị của tấm và của dầm. Biến dạng của tấm, của dầm và mối quan hệ biến dạng-chuyển vị. Ứng suất của tấm, của dầm và mối quan hệ ứng suất-biến dạng.

Phương trình năng lượng của tấm, dầm và tấm có gân gia cường [19]. Phương pháp PTHH cho bài toán tấm có gân gia cường [20]. Sử dụng phần tử CS-DSG3 để phân tích ứng xử của tấm Mindlin. Hệ phương trình của tấm có gân gia cường bằng nguyên lý biến phân Hamilton [21].

Thiết lập bài toán tối ưu trong hai trường hợp tĩnh và động. Phương pháp giải thuật di truyền [21]. Lựa chọn cá thể (Selection). Lai ghép cá thể (Crossover).

Ứng dụng giải thuật di truyền GA vào bài toán tối ưu. Xử lý ràng buộc trong Matlabs của phương pháp giải thuật di truyền GA. Phương pháp đánh giá chỉ mục độ tin cậy RI (Reliability Index) [23]. Phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc nhất (First Order Reliability Method- FORM) [24].

Phát biểu lại hai bài toán tối ưu khi có xét đến độ tin cậy. Một thuật giải tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy đơn giản và hiệu quả. 49 vi Chƣơng 3 CÁC KẾT QUẢ SỐ. Bài toán phân tích độ nhạy.

Phân tích độ nhạy đối với ứng xử tĩnh học của tấm có gân gia cường. Phân tích độ nhạy đối với ứng xử động học của tấm có gân gia cường. Bài toán tĩnh học. Bài toán 1: Bài toán tĩnh học khi không xét độ tin cậy.

Bài toán 2: Bài toán tĩnh học khi có xét độ tin cậy. Bài toán phân tích dao động tự do. Bài toán 3: Bài toán phân tích dao động tự do khi không xét độ tin cậy. Bài toán 4: Bài toán phân tích dao động tự do khi có xét độ tin cậy.

Nhận xét chung. 68 Chƣơng 4 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .2 Các vấn đề tồn tại và hướng phát triển của đề tài. 73 Tài liệu tham khảo. 74 MỘT SỐ KẾT QUẢ CÔNG BỐ ĐẠT ĐƯỢC TỪ LUẬN VĂN.

80 Phụ lục A Một số công thức toán học. 80 Phụ lục B Tóm tắt lý thuyết giải thuật bình phương tuần tự SQP. 81 Phụ lục C Một số đoạn mã lập trình chính. 83 vii Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Tấm có gân gia cường dọc theo hướng chịu tải chính.2: Tấm gia cường ứng dụng trong cầu thép hay kết cấu máy bay, tàu thủy.3: Tấm có gân gia cường ứng dụng trong kết cấu mái siêu thị, trạm xăng dầu.4: Tấm có gân gia cường ứng dụng trong kết cấu bể chứa.5: Tấm gia cường ứng dụng trong các công trình nhà dân dụng và công nghiệp.6: Xấp xỉ hàm trạng thái tại điểm thiết kế theo FORM và SORM.1: Tấm có gân gia cường theo cả hai phương x và y.2: Quy ước dấu của độ võng w và hai góc xoay  x ,  y trong tấm Mindlin.3: Các thành phần chuyển vị và góc xoay của dầm gia cường theo phương x.4: Các thành phần ứng suất và giá trị dương của thành phần nội lực tương ứng.5: Tấm và dầm được rời rạc hóa bởi một tập hợp các điểm nút.6: Phần tử tam giác 3 điểm nút trong hệ tọa độ Descartes và hệ tọa độ tự nhiên.7: Ba tam giác con được tạo ra từ tam giác 123 trong phương pháp CS-DSG3.8: Một quy trình tối ưu hóa chuẩn dùng giải thuật di truyền GA.9: Giá trị độ thích nghi theo hạng tuyến tính và không tuyến tính.10: Sự lựa chọn theo phương pháp Bánh xe Roulette.11: Các vị trí có thể của thế hệ con sau khi lai ghép rời rạc.12: Miền giá trị biến của cá thể con theo sự lai ghép trung gian.13: Vị trí có thể của thế hệ con sau khi lai ghép trung gian.14: Vị trí có thể của thế hệ con sau khi lai ghép theo đường.15: Xác suất và kích thước của các bước đột biến.16: Hàm trạng thái giới hạn g ( y ) =0, vùng an toàn g (y )  0 và vùng không an toàn g (y )  0 .