桥梁抗风气动外形自动优化方法技术

本发明专利技术提出了一种桥梁抗风气动外形自动优化方法，所述方法包括选定桥梁抗风初始外形，确定需要优化的设计变量及其取值范围，基于数论选点理论，生成代表点集样本数据，进行DOE试验设计；基于自适应网格变形技术，获得桥梁抗风气动外形的控制体和控制点，通过控制点快速在线实现模型网格变形；基于训练好的代理模型进行CFD快速求解，开展桥梁气动动力分析，获得性能评价指标；基于多目标优化算法，在代表点集样本数据内，以性能评价指标为目标函数，进行桥梁气动外形自动设计优化，获得最优解。本发明专利技术大幅降低桥梁气动外形优化设计所需人工成本和计算资源，提高设计效率和自动化程度，并可根据桥址风场特性在线实时调整桥梁气动外形。动外形。动外形。

【技术实现步骤摘要】
桥梁抗风气动外形自动优化方法


[0001]本专利技术涉及桥梁设计
，尤其涉及桥梁抗风气动外形自动优化方法。

技术介绍

[0002]目前，桥梁正向着更大跨度、更轻质量方向发展，此时风致动力问题已成为大跨桥梁设计、建造与运维的关键控制因素之一。大跨桥梁在施工建设完成后仍可能会出现大幅度涡振现象。
[0003]桥梁的气动外形对桥梁抗风影响重大。目前，针对桥梁抗风气动外形设计，仍多采用枚举选优的设计思路。其基本步骤为：对选定的桥梁外形及其流体域进行网格划分，然后开展动力问题的CFD迭代求解，获得目标响应。桥梁气动外形的优化是通过划分大量不同网格与CFD计算后，对其进行气动抑振能力对比，从中选择较优解。上述方法存在两个主要缺点，第一个是需要划分大量网格进行桥梁抗风抑振性能的CFD试算对比分析，使得桥梁气动外形设计费时费力、效率低下；第二个是枚举试算对比只能获得一个离散样本点域中的较优解，无法得到全域最优解，且自动化智能化程度差。
[0004]此外，汽车领域公开号为“CN107273569A”的专利所提出的一种基于网格变形技术的气动外形减阻优化方法，其主要是减小网格划分工作量而提高优化效率，且为风阻系数单目标优化。而实际中桥梁气动外形优化存在多变量遍历、计算工况多、网格划分工作量大、CFD计算耗时长和为多目标寻优问题等诸多限制。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术计算工况量大、网格划分效率低、CFD计算耗时长、优化程度不够高的缺陷，从而提供一种桥梁抗风气动外形自动优化方法。
[0006]桥梁抗风气动外形自动优化方法，包括：
[0007]S1：建立待计算的桥梁抗风初始外形网格数值模型，选取多个优化设计变量及设置网格数值模型的参数化数据；
[0008]S2：确定每个优化设计变量的取值范围，基于数论选点方法，生成代表点集样本数据，以划分和筛选网格节点，在优化设计软件平台中对优化设计变量参数进行DOE试验设计，以筛选优化设计变量参数；
[0009]S3：采用自适应网格变形方法优化网格节点疏密排布，然后获得作为桥梁抗风气动外形控制点的网格节点，以及使每个控制点周围具有互不重复的控制体积以划分桥梁抗风气动外形计算域，再通过控制点完成网格数值模型的网格自动体积变形，并输出变形后的网格数值模型备用；
[0010]S4：将基于深度学习方式训练好的代理模型作为替代仿真模拟器，以近似模拟S3中变形后的网格数值模型，向代理模型输入变形后的桥梁外形设计变量实参，以输出对应的桥梁外形的气动性能评价指标值；
[0011]S5：基于多目标优化算法，以代表点集样本数据为约束集，以S4中输出的性能评价指标值为目标函数收敛的值，进行桥梁气动外形自动设计优化，获得最优解。
[0012]作为本专利技术中优化方法的一种优选，所述步骤S1中初始的优化设计变量的选择取决于桥梁抗风气动外形的类型以及相应的气动抑振结构，所述桥梁抗风气动外形的类型包括整体式箱形截面、分体式箱形截面、边箱梁截面、π形截面、钢桁梁截面，所述气动抑振结构包括风嘴、整流罩、导流板、中央稳定板、抑流板。
[0013]作为本专利技术中优化方法的一种优选，当桥梁抗风气动外形的类型选择为箱形截面，气动抑振结构选择为风嘴，则初始的优化设计变量包括箱形截面高度和宽度、翼缘的宽度和高度、风嘴形状参数、风嘴为连续或是间断布置，以及风嘴间断布置时的位置。
[0014]作为本专利技术中优化方法的一种优选，所述步骤S2中采用的数论选点方法为拉丁超立方方法抽样选点；所述DOE试验设计在UniXDE软件平台上进行。
[0015]作为本专利技术中优化方法的一种优选，所述步骤S3中，自适应网格变形方法采用Sculptor网格变形软件平台实现。
[0016]作为本专利技术中优化方法的一种优选，所述步骤S4中的代理模型具体训练方式如下：在Fluent软件平台上构建CFD仿真模型，并开展桥梁气动动力分析；根据各种组合的设计变量优化参数模拟相应的各种S3中输出变形后的网格数值模型，再进行CFD快速求解，获得足量的输入输出数据，以训练S4中的代理模型。
[0017]作为本专利技术中优化方法的一种优选，所述代理模型计算输出性能评价指标值后，再进行误差分析判定，当误差值超过给定限值时，则重新调整网格变形，通过迭代计算，直至误差值小于给定限值。
[0018]作为本专利技术中优化方法的一种优选，所述步骤S5中的最优解为全域最优解。
[0019]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0020]本专利技术采用数论选点理论减少了计算工况数、采用自适应网格变形技术提高了网格划分效率、基于代理模型加速了桥梁Navier
‑
Stokes气动力方程计算效率、基于多目标优化理论获得了全域最优解。实现了桥梁气动外形设计优化过程的自动化，为桥梁的智能化振动抑制提供了高效可行的解决思路。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为桥梁抗风气动外形自动优化方法的逻辑步骤图；
[0023]图2为桥梁抗风气动外形自动优化方法的执行流程图；
[0024]图3(a)实施例中为三维数值模型网格总体示意图；
[0025]图3(b)实施例中为三维模型的XY截面网格示意图；
[0026]图4为实施例中三维主梁节段XY平面外流场网格变形控制点示意图；
[0027]图5为实施例中UniXDE优化流程图；
[0028]图6(a)为实施例中优化前风嘴设计方案示意图；
[0029]图6(b)为实施例中优化前风嘴在7.5m/s风速下位移时程图；
[0030]图6(c)为实施例中优化过程风嘴设计过渡方案示意图；
[0031]图6(d)为实施例中优化过程风嘴在7.5m/s风速下位移时程图；
[0032]图6(e)为实施例中优化后风嘴设计最优方案示意图；
[0033]图6(f)为实施例中优化后风嘴在7.5m/s风速下位移时程图。
具体实施方式
[0034]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0035]在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.桥梁抗风气动外形自动优化方法，其特征在于，包括：S1：建立待计算的桥梁抗风初始外形网格数值模型，选取多个优化设计变量及设置网格数值模型的参数化数据；S2：确定每个优化设计变量的取值范围，基于数论选点方法，生成代表点集样本数据，以划分和筛选网格节点，在优化设计软件平台中对优化设计变量参数进行DOE试验设计，以筛选优化设计变量参数；S3：采用自适应网格变形方法优化网格节点疏密排布，然后获得作为桥梁抗风气动外形控制点的网格节点，以及使每个控制点周围具有互不重复的控制体积以划分桥梁抗风气动外形计算域，再通过控制点完成网格数值模型的网格自动体积变形，并输出变形后的网格数值模型备用；S4：将基于深度学习方式训练好的代理模型作为替代仿真模拟器，以近似模拟S3中变形后的网格数值模型，向代理模型输入变形后的桥梁外形设计变量实参，以输出对应的桥梁外形的气动性能评价指标值；S5：基于多目标优化算法，以代表点集样本数据为约束集，以S4中输出的性能评价指标值为目标函数收敛的值，进行桥梁气动外形自动设计优化，获得最优解。2.根据权利要求1所述桥梁抗风气动外形自动优化方法，其特征在于，所述步骤S1中初始的优化设计变量的选择取决于桥梁抗风气动外形的类型以及相应的气动抑振结构，所述桥梁抗风气动外形的类型包括整体式箱形截面、分体式箱形截面、边箱梁截面、π形截面、钢桁梁截面，所述气动抑振结构包括风嘴、整流罩、导流板、中央稳定板...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘汉云，陈柏翔，韩艳，胡朋，蔡春声，毛娜，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：