[发明专利]一种基于萤火虫算法的窄基角钢输电塔结构优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及输电塔结构优化技术领域，其是一种基于萤火虫算法的窄基角钢输电塔结构优化设计方法。

背景技术

输电线路窄基塔整合了普通塔与钢管杆的优点，具有占地小、外形美观、便于运输组装、与城区规划绿化带相结合的优点。目前国内110kV的窄基塔大多采用窄基钢管塔，主材采用钢管，对于110kV线路，荷载相对较小。由于构造要求，钢管的承载能力未得到充分利用，经济性较差。为此，窄基角钢输电塔，具备承载性能好、材料性能充分利用、成本低、占地小、施工方便的优点，越来越广泛的应用于工程实例中。但是窄基角钢塔根开小，主材受力较大，怎样在保证输电塔的承载性能的前提下，优化角钢塔的截面形式，即在保证安全性的前提下寻找最大的经济性是个急需解决的问题。

郭鹏飞等人以力学准则法为基础，提出了一种求解离散变量结构优化设计的拟满应力方法，直接求解具有应力约束和几何约束的离散变量结构优化设计问题，但此算法过程中使用到二进制遗传编码，应用于塔架结构优化中时，由于输电塔架杆件数和荷载工况较多，在编制寻优程序出现错误不易查找。(郭鹏飞，韩英仕.离散变量结构优化设计的拟满应力遗传算法[J].工程力学，2003，20(2):95－99.)。

此外，现有输电塔结构优化设计方法还存在如下两种缺陷：1)现有的输电塔结构优化设计方法对于多工况、多荷载下输电塔的优化设计结果收敛速度慢，优化速度慢，优化效率低；2)现有的输电塔结构优化设计方法，优化步骤繁琐，对于塔型较为固定的输电塔，如窄基角钢塔，缺乏操作简单，优化方式简洁又可在一定程度上满足工程实际要求的优化设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有概念简单、流程清晰、需要调整的参数少，操作简单，收敛速度快的基于萤火虫算法的窄基角钢输电塔结构优化设计方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于萤火虫算法的窄基角钢输电塔结构优化设计方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)建立窄基角钢输电塔优化数学模型，该数学模型以输电塔总质量最轻为目标函数，以塔身杆件的强度、刚度和稳定性为约束条件，以输电塔的截面尺寸为设计变量；

(2)将窄基角钢输电塔设计方案的对应参数组负载于萤火虫上，萤火虫的位置与亮度由该对应参数组表示，对应参数组包括输电塔杆件截面尺寸和输电塔材料成本；

(3)采用萤火虫算法对输电塔杆件截面尺寸及输电塔材料成本进行优化分析并计算塔身杆件的承载能力，然后通过每个萤火虫个体的位置的更新和亮度的更新，达到在解空间中搜寻全局最优解的目的；

(4)搜寻结束后输出萤火虫种群的位置与亮度，将杆件截面积转化为确定输电塔设计方案的截面尺寸，该设计方案即为需要的总质量最轻的方案，对确定截面尺寸的杆件进行强度、刚度和稳定性校核，若强度、刚度和稳定性满足要求，则输出该输电塔杆件的截面尺寸优化设计方案，若不满足，则重新搜寻。

在步骤(3)中，所述优化分析的公式如下：

find d＝[A₁,A₂,…,A₁₃]

d^L≤d≤d^U

其中，d是设计变量，取所有杆件的截面积为设计变量；A₁,A₂,…,A₁₃是所有杆件的截面积；W是输电塔的材料成本；σ_i是所有杆件进行强度、刚度和稳定性校核的计算值；是所有杆件进行强度、刚度和稳定性校核的设计值；d^L和d^U分别是d的上下界。

在步骤(2)中，所述萤火虫亮度的表达式如下：荧光亮度：

I(r)＝I₀e^-γr

式中，I(r)为萤火虫在r处的荧光亮度；I₀为萤火虫的最大荧光亮度，即自身r＝0处的荧光亮度，与目标函数值相关，目标函数值越优自身亮度越高，即I₀由W决定，W是输电塔的材料成本；γ为光强吸收系数，为常数；r为萤火虫i与萤火虫j间的欧氏距离：