本發(fā)明涉及鋼結構優(yōu)化設計，具體為工業(yè)化鋼結構體系數(shù)值模擬與優(yōu)化設計系統(tǒng)。

背景技術：

1、隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展和工業(yè)化進程的推進，鋼結構因其強度高、重量輕、施工速度快、可回收利用等優(yōu)點，在大型建筑、橋梁、塔架等工程中得到了廣泛應用。然而，鋼結構的設計過程復雜且涉及多學科交叉，需要綜合考慮結構的安全性、經濟性、可施工性等多個方面。

2、在鋼結構設計的初期階段，工程師通常需要根據(jù)設計規(guī)范手動計算結構的受力情況，并進行反復的調整和優(yōu)化。這種方法不僅效率低下，而且難以全面考慮各種工況下的結構力學行為，如地震、風載等動態(tài)荷載對結構的影響。隨著計算機技術和數(shù)值分析方法的進步，數(shù)值模擬技術逐漸成為鋼結構設計中的重要手段。通過構建數(shù)值模擬模型，可以更加準確地模擬鋼結構在不同工況下的力學行為，為設計提供可靠的依據(jù)。

3、僅依靠數(shù)值模擬技術還不足以實現(xiàn)鋼結構設計的最優(yōu)化。在實際設計過程中，工程師還需要根據(jù)數(shù)值模擬結果對設計方案進行調整和優(yōu)化，這往往需要大量的試算和經驗判斷。為了進一步提高鋼結構設計的效率和準確性，需要將智能優(yōu)化算法引入設計過程中。智能優(yōu)化算法能夠自動搜索設計空間，尋找最優(yōu)的設計方案，從而大大減輕工程師的工作負擔，提高設計質量。因此，迫切需要一種集數(shù)值模擬與優(yōu)化設計于一體的工業(yè)化鋼結構體系設計系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供工業(yè)化鋼結構體系數(shù)值模擬與優(yōu)化設計系統(tǒng)，以解決上述背景技術中提出的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：工業(yè)化鋼結構體系數(shù)值模擬與優(yōu)化設計系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

3、數(shù)值模擬單元，構建鋼結構數(shù)值模擬模型，用于模擬鋼結構在不同工況下的力學行為；

4、優(yōu)化設計單元，構建基于智能優(yōu)化算法的鋼結構優(yōu)化設計模型，用于尋找最優(yōu)的鋼結構設計方案；

5、數(shù)據(jù)輸入單元，采集鋼結構設計參數(shù)、荷載條件和邊界條件，并將采集的數(shù)據(jù)傳入數(shù)值模擬模型和優(yōu)化設計模型，獲取模型的輸出結果；

6、結果分析單元，定義結果分析算法，對模型輸出結果進行分析，獲取鋼結構性能評估報告和優(yōu)化設計方案。

7、優(yōu)選的，所述鋼結構數(shù)值模擬模型采用有限元分析方法構建，包含：

8、輸入層：接收鋼結構設計參數(shù)、荷載條件和邊界條件；

9、網格劃分層：對鋼結構進行網格劃分，生成有限元網格；

10、求解層：通過求解有限元方程，計算鋼結構在荷載作用下的應力、應變和位移；

11、輸出層：輸出鋼結構的力學行為模擬結果，包括應力分布、變形情況和極限承載力。

12、優(yōu)選的，所述有限元方程的求解采用的具體算法為：

13、[kt]{δu}＝{fext}-{fint}

14、其中，[kt]為切線剛度矩陣，{δu}為位移增量，{fext}為外部荷載向量，{fint}為內部力向量。

15、優(yōu)選的，所述鋼結構優(yōu)化設計模型采用遺傳算法構建，包含：

16、輸入層：接收數(shù)值模擬模型的輸出結果作為初始設計方案的性能評估；

17、初始化層：生成初始種群，每個個體代表一個可能的設計方案；

18、選擇層：根據(jù)適應度函數(shù)選擇優(yōu)秀個體進行繁殖；

19、交叉層：對選擇的個體進行交叉操作，生成新的設計方案；

20、變異層：對新設計方案進行變異操作，增加設計多樣性；

21、輸出層：輸出最優(yōu)設計方案，滿足預設的性能標準和約束條件。

22、優(yōu)選的，所述適應度函數(shù)定義為：

23、

24、其中，c(x)為造價成本，m(x)為材料用量，d(x)為結構變形，w1、w2和w3為權重系數(shù)。

25、優(yōu)選的，訓練鋼結構優(yōu)化設計模型的步驟包括：

26、使用歷史鋼結構設計方案和對應的性能評估數(shù)據(jù)作為訓練集；

27、初始化遺傳算法的參數(shù)，包括種群大小、交叉概率和變異概率；

28、使用訓練集對遺傳算法進行訓練，通過最大化適應度函數(shù)優(yōu)化設計方案；

29、使用驗證集對遺傳算法進行驗證，評估模型的優(yōu)化效果和計算效率；

30、當模型性能達到預設標準時，保存模型參數(shù)，得到訓練好的鋼結構優(yōu)化設計模型。

31、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)輸入單元還包括數(shù)據(jù)校驗模塊，該模塊負責對采集的鋼結構設計參數(shù)、荷載條件和邊界條件進行一致性校驗和錯誤糾正。

32、優(yōu)選的，所述結果分析單元中，結果分析算法的實現(xiàn)步驟包括：

33、步驟1：定義數(shù)值模擬模型輸出的應力分布為σ(x,y,z)，變形情況為u(x,y,z)，極限承載力為pult；

34、步驟2：對σ(x,y,z)進行最大值分析，識別應力集中區(qū)域；

35、步驟3：對u(x,y,z)進行位移分析，評估結構整體變形情況；

36、步驟4：結合pult，進行結構安全性評估，判斷結構是否滿足設計要求；

37、步驟5：將應力集中區(qū)域、整體變形情況和結構安全性評估結果相結合，形成鋼結構性能評估報告；

38、步驟6：將性能評估報告與優(yōu)化設計方案相結合，形成最終的鋼結構設計與優(yōu)化報告。

39、優(yōu)選的，所述結構安全性評估采用許用應力法，具體公式為：

40、σmax≤[σ]

41、其中，σmax為最大應力值，[σ]為許用應力值。

42、優(yōu)選的，所述結果分析單元還包括可視化模塊，該模塊負責將鋼結構性能評估報告和優(yōu)化設計方案以圖形、表格和三維模型的形式進行展示。

43、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

44、本工業(yè)化鋼結構體系數(shù)值模擬與優(yōu)化設計系統(tǒng)集成了數(shù)值模擬和優(yōu)化設計兩大功能，實現(xiàn)了設計過程的自動化和智能化。通過數(shù)值模擬單元快速模擬鋼結構在不同工況下的力學行為，避免了傳統(tǒng)手動計算的繁瑣和耗時，顯著提高了設計效率。同時，優(yōu)化設計單元利用智能優(yōu)化算法自動搜索設計空間，尋找最優(yōu)設計方案，進一步縮短了設計周期。系統(tǒng)采用先進的數(shù)值模擬技術，能夠準確模擬鋼結構在地震、風載等動態(tài)荷載作用下的力學響應，為設計提供更為可靠的依據(jù)。優(yōu)化設計單元基于智能優(yōu)化算法，能夠綜合考慮結構的安全性、經濟性和可施工性等多個方面，確保設計方案的全面性和最優(yōu)性，大大增強了設計的準確性。

45、傳統(tǒng)鋼結構設計過程中，工程師需要手動進行計算、調整和優(yōu)化，工作量巨大。本系統(tǒng)通過自動化和智能化的設計流程，大大減輕了工程師的工作負擔。工程師只需輸入設計參數(shù)、荷載條件和邊界條件，系統(tǒng)即可自動完成數(shù)值模擬和優(yōu)化設計，提高了工作效率，降低了勞動強度。系統(tǒng)集成了智能優(yōu)化算法，能夠自動探索設計空間中的多種可能性，為工程師提供更多創(chuàng)新的設計方案。這種設計方式的創(chuàng)新性有助于推動鋼結構設計領域的技術進步，促進鋼結構建筑的發(fā)展和應用。通過系統(tǒng)的數(shù)值模擬和優(yōu)化設計，可以更加精確地預測和優(yōu)化鋼結構的性能。這有助于確保鋼結構在實際使用中的安全性和可靠性，提升整體結構性能，延長使用壽命，降低維護成本。