基于改进差分进化算法的复合材料结构优化设计

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.002

复合材料科学与工程 ›› 2021, Vol. 0 ›› Issue (3): 14-20.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.002

基于改进差分进化算法的复合材料结构优化设计

马森¹, 赵启林², 施丽铭³, 单成之¹

1.武警警官学院训练基地,广州510440;
2.南京工业大学机械与动力工程学院,南京211816;
3.北京空间飞行器总体设计部,北京100094

收稿日期:2020-07-06 出版日期:2021-03-28 发布日期:2021-04-30
作者简介:马森(1989-),男,博士,讲师,主要从事复合材料结构力学、复合材料结构优化设计方面的研究,mesir1989@sina.com。
基金资助:
中国载人航天领域预先研究项目(载人四批040101);国家重点研发计划项目(2017YFC0405103)

OPTIMIZATION OF COMPOSITES STRUCTURE BASED ON IMPROVED DIFFERENTIAL EVOLUTION ALGORITHM

MA Sen¹, ZHAO Qi-lin², SHI Li-ming³, SHAN Cheng-zhi¹

1. Training Base, Officers College of PAP, Guangzhou 510440, China;
2. School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China;
3. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China

Received:2020-07-06 Online:2021-03-28 Published:2021-04-30

摘要/Abstract

摘要： 提出了一种改进的S形变异差分进化算法并对该算法在复合材料结构优化方面的应用进行了研究。首先,分析了控制参数对差分进化算法收敛性和寻优能力的影响机理;其次,针对控制参数对差分进化算法的影响机理,借鉴生物繁殖的“S形曲线”规律,提出变异率的“S形曲线”变化趋势,提出改进的差分进化算法SDE,数值算例证明该算法具有较好的全局寻优能力;最后,针对复合材料结构优化设计问题,建立了基于SDE算法的优化计算系统,利用该优化计算系统对某空间运载器复合材料构件进行了优化设计,优化结果较初始设计质量减小36.5%。

关键词: 复合材料结构, 优化设计, 差分进化算法, S形曲线

Abstract: An improved S-shaped mutation Differential Evolution algorithm is proposed and its application in optimization of composites structure is studied. Firstly, the influence mechanism of control parameters on the convergence and optimization ability of the Differential Evolution algorithm is analyzed. Secondly, aiming at the influence mechanism and learning from the "S-shaped curve" law of biological reproduction, a new change trend of the mutation rate is proposed, and an improved Differential Evolution algorithm (SDE) is proposed, advantage of the improved algorithm is proved by numerical examples. Finally, an optimization computing system based on the SDE algorithm for composites structure is established, which is used to optimize a composites component of a space vehicle, and the weight is 36.5% lower than the initial design.

Key words: composites structure, optimization, the differential evolution algorithm, S-shaped curve

中图分类号:

TB332

马森, 赵启林, 施丽铭, 单成之. 基于改进差分进化算法的复合材料结构优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(3): 14-20.

MA Sen, ZHAO Qi-lin, SHI Li-ming, SHAN Cheng-zhi. OPTIMIZATION OF COMPOSITES STRUCTURE BASED ON IMPROVED DIFFERENTIAL EVOLUTION ALGORITHM[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2021, 0(3): 14-20.

参考文献

[1] WALKER M, SMITH R E. A technique for the multiobjective optimisation of laminated composite structures using genetic algorithms and finite element analysis[J]. Composite Structures, 2003, 62(1): 123-128.
[2] MANGALGIRI P. Composite materials for aerospace applications[J]. Bulletin of Materials Science, 1999, 22(3): 657-664.
[3] SMITH J. Evolved composite structures for Atlas V[C]//Proceedings of the 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. 2002.
[4] SCHMIT L A, FARSHI B. Optimum design of laminated fibre composite plates[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1977, 11(4): 623-640.
[5] 冯消冰, 黄海, 王伟, 等. 基于遗传算法的层压板强度优化设计[J]. 玻璃钢/复合材料, 2012(3): 7-13.
[6] 罗志军, 乔新. 基于遗传算法的复合材料层压板固有频率的铺层顺序优化[J]. 复合材料学报, 1997, 1(4): 115-119.
[7] 刘哲. 考虑制造工艺约束的复合材料变刚度铺层优化方法研究[D]. 北京: 清华大学, 2015.
[8] PRICE K, STORN R M, LAMPINEN J A. Differential evolution: A practical approach to global optimization[M]. Springer Science & Business Media, 2006.
[9] STORN R. On the usage of differential evolution for function optimization[C]//Proceedings of North American Fuzzy Information Processing. 1996.
[10] 蔡亮. 差分进化算法及其应用研究[D]. 南京: 河海大学, 2008.
[11] 方强, 陈德钊, 俞欢军, 等. 基于优进策略的差分进化算法及其化工应用[J]. 化工学报, 2004, 1(4): 598-602.
[12] 叶贞成, 王鑫, 梅华. 基于改进差分进化算法的裂解反应动力学系数辨识[J]. 华东理工大学学报(自然科学版), 2020, 6(16): 1-10.
[13] 程吉祥. 自主差分进化算法设计及应用[D]. 成都: 西南交通大学, 2015.
[14] 普莱斯. 差分进化算法[M]. 北京: 机械工业出版社, 2016.
[15] 呼忠权. 差分进化算法的优化及其应用研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学.
[16] DAS S, KONAR A, CHAKRABORTY U K. Two improved differential evolution schemes for faster global search[C]//Proceedings of the 7th Annual Conference on Genetic and Evolutionary Computation. 2005.
[17] RONKKONEN J, KUKKONEN S, PRICE K V. Real-parameter optimization with differential evolution[C]//Proceedings of the 2005 IEEE Congress on Evolutionary Computation. 2005.
[18] DAS S, KONAR A, CHAKRABORTY U K. Improved differential evolution algorithms for handling noisy optimization problems[C]//Proceedings of the 2005 IEEE Congress on Evolutionary Computation. 2005.
[19] 武兴亮, 丁根宏. 改进小生境遗传算法求解多峰函数优化问题[J]. 信息技术, 2013(1): 73-76.
[20] 胡更开. 复合材料力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006.
[21] RAJEEV S, KRISHNAMOORTHY C. Discrete optimization of structures using genetic algorithms[J]. Journal of structural engineering, 1992, 118(5): 1233-1250.

基于改进差分进化算法的复合材料结构优化设计

OPTIMIZATION OF COMPOSITES STRUCTURE BASED ON IMPROVED DIFFERENTIAL EVOLUTION ALGORITHM

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	赵雄翔, 孙鹏文, 李建东. 基于应变能的风力机叶片铺层结构优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(7): 20-24.
[2]	田可可, 李成, 胡春幸, 郭建. 基于响应面法的CFRP层合板挖补修理结构的单目标优化[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(9): 22-30.
[3]	施萌, 汪洋, 吴志斌, 刘富. 民机货舱下部复合材料结构抗坠撞吸能特性试验研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(9): 83-88.
[4]	王永伟, 严刚, 郭飞. 含碳纳米管薄膜表层的蜂窝夹芯壁板模拟雷击试验研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(3): 60-65.
[5]	沈浩杰, 陈刚, 夏杨. 某型无人机复合材料机翼结构尺寸优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(12): 82-88.
[6]	马森, 赵启林, 柯敏勇, 施丽铭, 穆思奇. 基于分区域优化模型的复合材料纺锤杆结构优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(1): 13-18.
[7]	林鹏, 姚刚, 罗剑岚, 王明, 蔡计杰, 惠述俭, 俞伊姗. 气密载荷下高铁司机室结构强度分析及优化[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(1): 107-111.
[8]	王梓尧, 严刚. 基于Lamb波的复合材料结构分层损伤扩展监测研究[J]. 复合材料科学与工程, 2020, 0(7): 20-26.
[9]	郭小锋, 齐剑峰, 黄鑫祥. 玻碳混杂低风速风电叶片结构优化及性能分析[J]. 复合材料科学与工程, 2020, 0(6): 25-29.
[10]	王轩, 许诺, 周春苹, 丁常方, 邓云飞. 考虑就位效应的复合材料层合板自适应遗传算法铺层优化[J]. 复合材料科学与工程, 2020, 0(12): 15-20.
[11]	王鹏飞, 江亚彬, 宋江, 谭智铎. 深海用复合材料耐压壳体结构设计方法研究[J]. 复合材料科学与工程, 2020, 0(11): 49-53.
[12]	张鑫,赵晓昱,兰祥,陈玲俐. 汽车用碳纤维复合材料前防撞梁的轻量化与优化设计[J]. 玻璃钢/复合材料, 2019, 0(8): 98-103.
[13]	郑国栋,王杨,赵明,张晶. PFMEA在航天复合材料结构件成型中的应用研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2019, 0(8): 109-114.
[14]	吴双华, 陈童, 尹冠生. 基于差分进化算法的变角度纤维层合板优化[J]. 复合材料科学与工程, 2019, 0(11): 12-17.
[15]	董晓阳, 史文锋, 郭金海, 章宇界. 复合材料力矩陀螺支架结构优化及仿真[J]. 玻璃钢/复合材料, 2018, 0(9): 30-35.