[发明专利]桥梁抗风气动外形自动优化方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及桥梁设计技术领域，尤其涉及桥梁抗风气动外形自动优化方法。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

因此，本发明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。

桥梁抗风气动外形自动优化方法，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。

作为本发明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。