تعیین مشخصات سازه با استفاده از پارامترهای مودال سازه و بکارگیری الگوریتم‌های بهینه‌سازی: ژنتیک، اجتماع ذرات و آموزش و یادگیری

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق به مقایسه‌ی دقت و سرعت همگرایی روش‌های فراابتکاری مختلف در تعیین سختی المان‌های سازه با استفاده از پارامترهای مودال‌سازه و تعریف یک تابع هدف مناسب پرداخته‌‌می‌شود. بدین‌منظور، یک قاب یک‌بعدی سه‌طبقه‌ و شش‌طبقه و یک خرپای دوبعدی بررسی می‌گردد. روش‌های فراابتکاری شامل بهینه‌سازی ژنتیک، اجتماع ذرات و آموزش‌و‌یادگیری است. تابع هدف، حاصل جمع دو عبارت توان دوم اختلاف فرکانس اول سازه‌ی مورد بررسی با فرکانس اول سازه‌ی‌ حاصل از ماتریس سختی فرضی در هر نسل و اندازه‌ی بردار اختلاف شکل مودی اول سازه‌ی مورد بررسی و سازه‌ی حاصل از ماتریس سختی فرضی در هر نسل است. در الگوریتم‌های فراابتکاری مورد استفاده، با به حداقل رساندن مقدار تابع هدف، مقدار سختی المان‌های سازه‌ها بدست‌آمد که کارایی بالای روش‌های فراابتکاری را در تعیین مشخصات مجهول سازه‌ها نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که الگوریتم‌ آموزش‌و‌یادگیری بیشترین سرعت همگرایی و کمترین خطا را نسبت به سایر الگوریتم‌ها دارد. الگوریتم اجتماع ذرات سرعت و خطای قابل قبولی را نشان‌داده‌است. میزان خطای الگوریتم ژنتیک در مقایسه با دو الگوریتم دیگر قابل توجه‌ است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Determination of structural properties using structural modal properties and optimization algorithms: Genetic Algorithm, Particle Swarm Optimization and Teaching–learning-based Optimization

نویسندگان [English]

  • Shahab Amanat 1
  • Hamed Kharrazi 2
  • Maryam Bitaraf 1
1 Department of Civil Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Department of Civil Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

This paper investigates the accuracy and convergence rate of different metaheuristic algorithms in determining the stiffness of structural elements using structural modal parameters and defining a suitable objective function. To achieve this purpose, three different structures, including a three-story one-dimensional frame, a six-story one-dimensional frame and a two-dimensional truss, were investigated. The metaheuristic algorithms, employed in this study, were Genetic Algorithm, Particle Swarm Optimization, and Teaching–learning-based Optimization. The objective function utilized in this study consists of two terms; the first part involves the squared difference between the first frequency of the structure obtained from the responses of the investigated structure and the first frequency obtained from the hypothetical stiffness matrix in each generation of algorithms. The second part measures the norm of the difference between the first mode shape of the structure obtained from the responses of the investigated structure and the first mode shape obtained from the hypothetical stiffness matrix in each generation of algorithms. By minimizing the objective function, the Genetic Algorithm, Particle Swarm Optimization, and Teaching–learning-based Optimization determined the element stiffness of the three-story, six-story and truss structures, thus demonstrating the high efficiency of metaheuristic algorithms in resolving unknown parameters of structures. The average run time for the Genetic Algorithm was 3.38 seconds, 4.47 seconds, and 15.73 seconds for the three respective problems. For Particle Swarm Optimization, the times were 3.76 seconds, 6.47 seconds, and 16.76 seconds. The Teaching–learning-based Optimization achieved times of 1.92 seconds, 4.51 seconds, and 12.76 seconds. The Teaching–learning-based Optimization exhibited the highest convergence rate and the lowest error compared to the Genetic Algorithm and Particle Swarm Optimization. For example, in the two-dimensional truss, the values of the objective function in the last iteration of the Genetic Algorithm, Particle Swarm Optimization, and Teaching–learning-based Optimization were 0.012, 6×10-4 and 4×10-4, respectively. The Particle Swarm Optimization demonstrated an acceptable convergence rate and error compared to the Genetic algorithm. The Genetic Algorithm, however, displayed a significant error rate in determining the stiffness of structural elements compared to the other two algorithms.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Structural health monitoring
  • Genetic Algorithm
  • Particle Swarm Optimization algorithm
  • Teaching–learning-based Optimization algorithm