دانلود مقاله بهینه سازی ساختاری سایبر-فیزیکی با استفاده از شبیه سازی ترکیبی در زمان واقعی

چکیده

     به طور سنتی، بهینه سازی ساختاری، یک فرایند عددی است. طرح های نامزد از طریق شبیه سازی عددی ایجاد شده و ارزیابی می شوند (به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل المان های محدود). با این وجود، هنگام برخورد با ساختارهای پیچیده ای که مدل سازی عددی آن ها سخت است، ممکن است خطاهای بزرگی  بین مدل عددی و ساختار فیزیکی وجود داشته باشد. در این حالت، بهینه سازی کمتر معنی دار است زیرا نتایج بهینه به جای ساختار فیزیکی با مدل عددی مرتبط است. آزمایش هایی را می توان در الگوریتم بهینه سازی برای نمایش ساختارها یا اجزاء پیچیده انجام داد. با این وجود، محدودیت های زمانی و هزینه ای، زمانی که بهطور مکرر ساخت و ارزیابی سیستم های کامل ساختاری انجام می شود، یک مانع محسوب می شوند. شبیه سازی ترکیبی در زمان واقعی (RTHS)  یک ابزار آزمایشگاهی اثربخش و کارآمد است که شبیه سازی عددی را با آزمایش های تجربی ترکیب کرده و از کل عملکرد ساختاری استفاده می کند. در این مقاله چارچوبی برای بهینه سازی ترکیبی در زمان واقعی (RTHS) پیشنهاد شده است. RTHS برای ارزیابی عملکرد طرح های نامزد در فرایند بهینه سازی استفاده می شود. این چارچوب با استفاده از RTHS ، یک روش تجربی مدرن که ریشه در مهندسی زلزله دارد، یک محیط بهینه سازی فیزیکی سایبر را ایجاد می کند. این مقاله چارچوب RTHO به همراه مطالعات اثبات مفهوم را تعیین می کند. در یک مطالعه مقدماتی، طراحی جداسازی پایه یک ساختمان دو طبقه برای حفاظت لرزه ای بهینه شده است. RTHO برای انتخاب بهینه پارامترهای قانون کنترل نیمه فعال چندگانه برای یک میراگر MR نصب شده در لایه ایزوله یک ساختمان پنج طبقه پایه جدا شده انجام شد. هر دو مورد از RTHS برای ارزیابی طرح های نامزد و بهینه سازی ازدحام ذرات(PSO)  برای بهینه سازی استفاده کرده اند. RTHO برای ارزیابی زیر ساخت های آزمایشی غیرخطی، به ویژه آن هایی که آسیب دائمی ندارند، مانند دستگاه های کنترل ساختاری مناسب است. در صورت تمایل می توان آسیب ساختاری را از طریق مؤلفه عددی مدل نمود. این مقاله ادغام الگوریتم های بهینه سازی پیشرفته ترین حالت با روش های تجربی پیشرفته  را پیشنهاد کرده و یک رویکرد سایبر-فیزیکی برای بهینه سازی ساختاری را نشان می دهد.

1- مقدمه
در دو دهه گذشته، روند طراحی برای زیرساخت های عمرانی از روش های کد نسخه ای به روش های مبتنی بر عملکرد تغییر کرده است. از مهندسین سازه فردا خواسته خواهد شد تا طرح های روشن تر ، مناسب تر و به صرفه تری را برای رفع نیازهای عملکردی در برابرخطرات طبیعی و انسانی ایجاد کنند. راه حل های پایدار که هزینه ها و منافع بلندمدت را در نظر می گیرند، نیاز به رویکردهای جدید برای طراحی و بهینه سازی دارند. بهینه سازی ساختاری به مهندسان این امکان را می دهد تا مقاصد مشخص شده توسط کاربر (به عنوان مثال ، استفاده از مواد) را ضمن ایجاد اطمینان از الزامات استحکامی و قابلیت استفاده بودن، (به عنوان مثال ، الزامات رانش و شتاب) به حداقل برسانند. بهینه سازی سازه شامل بهینه سازی اندازه، بهینه سازی شکل و بهینه سازی توپولوژی است [1]. بهینه سازی اندازه بر بهینه سازی سطح مقطع اجزای ساختاری گسسته مانند تیرها و ستون ها یا ضخامت مواد پیوسته مانند پانل ها و دال تمرکز دارد. بهینه سازی شکل باعث می شود مکان گره ها و اتصالات متفاوت باشد. بهینه سازی توپولوژی از توزیع اتصال مواد و اتصالات ساختاری برای تعیین طرح بهینه سازه با شکل مشخص استفاده می کند.
بهینه سازی به مهندسان این امکان را می دهد تا در یک چارچوب الگوریتمی خودکار، طراحی های بهتری داشته باشند. در مهندسی سازه، سیستم ها غالباً غیرخطی بوده و در معرض محدودیت های فیزیکی و طراحی قرار گرفته اند، و این امر باعث می شود که عرصه بهینه سازی با مسائل غیرخطی محدود شود. در این نوع بهینه سازی، مهندسین به دنبال مقادیر پارامتری هستند که تابع هدف را در صورت وجود محدودیت ها به حداقل می رساند. مساله بهینه سازی ابتدا باید در این فرم ریاضی اولیه بیان شود و سپس با استفاده از الگوریتم بهینه سازی انتخاب حل شود.
5- نتیجه گیری و پیشنهادات
     این مطالعه یک رویکرد جدید برای انجام بهینه سازی ساختاری ارائه می دهد. چارچوب پیشنهادی RTHO یک محیط بهینه سازی فیزیکی سایبر است. بهینه سازی عددی در حالی هدایت می شود که ارزیابی طرح های نامزد به صورت تجربی با استفاده از RTHS انجام می شود. RTHS یک روش آزمایش کارآمد و مقرون به صرفه را از طریق زیر ساخت سیستم های دینامیک در مولفه های عددی و آزمایشی، نمونه دیگری از یک سیستم فیزیکی سایبر را ارائه می دهد. توسعه RTHO به طور مفصل مورد بحث قرار گرفته و حول PSO، یک الگوریتم جستجوی اکتشافی محبوب ساخته شده است. PSO مزایای زیادی از جمله جستجوی گسترده فضای جواب را ارائه می دهد. با این حال، RTHO می تواند به راحتی با هر الگوریتم بهینه سازی سازگار شود.
     RTHO در هر دو مطالعه اثبات مفهوم خطی الاستیک و غیرخطی اثربخش تشخیص داده شد. از طریق RTHO ، طراحی جداسازی پایه یک سازه الاستیک خطی برای حفاظت لرزه ای یک ساختمان دو طبقه بهینه شد. طراحی بهینه در برابر زلزله های منفرد و چندگانه برای نشان دادن تطبیق پذیری و جهت گنجاندن در طراحی مبتنی بر عملکرد انجام شد. نتایج با استفاده از RTHO با بهینه سازی عددی مقایسه شد. به طور کلی توافق خوبی بین RTHO و بهینه سازی عددی برای این ساختار ساده مشاهده شده است، اعتماد برای استفاده از RTHO برای مطالعه سیستم های پیچیده ای که مدل سازی عددی آن ها دشوار است را ایجاد می کند. برای نشان دادن مزایای RTHO وقتی که مدل های عددی ممکن است ناکافی باشند، یک ساختمان پایه جدا شده پنج طبقه با یک میراگر MR غیرخطی در لایه ایزوله مورد بررسی قرار گرفت. قانون کنترل یک میراگر MR که از نظر فیزیکی مدل شده برای کاهش شتاب ساختاری در برابر بارهای لرزه ای، بهینه سازی شده است. RTHO به سرعت برای مسئله بهینه سازی غیرخطی و چند متغیری همگرا شد. هیسترزیس برای راه حل مطلوب همانطور که انتظار می رود، به نظر می-رسد : با یک منطقه بزرگ محصور برای افزایش میرایی و اندکی انحراف منفی برای کاهش شتاب ها.
     رویکرد RTHO دارای بسیاری از کاربردهای بالقوه در مهندسی عمران  برای انواع خطرات است. به ویژه، هنگامی که نمونه طراحی شده آسیب دائمی نمی بیند و بتوان آن را بطور تکراری ارزیابی کرد، این رویکرد می تواند برای مسائل کنترل ساختاری اعمال شود. علاوه بر این، در مهندسی باد بسیاری از نمونه ها به گونه ای طراحی شده اند که آسیب نبینند و برای آزمایش های مکرر مناسب هستند. RTHS ، یک سیستم فیزیکی سایبر به خودی خود ، برای ادغام در یک محیط بهینه سازی سایبر فیزیکی مناسب است.

Abstract

     Traditionally, structural optimization is a numerical process; candidate designs are created and evaluated through numerical simulation (e.g., finite element analysis). However, when dealing with complex structures that are difficult to model numerically, large errors could exist between the numerical model and the physical structure. In this case, the optimization is less meaningful because the optimal results are associated with the numerical model instead of the physical structure. Experiments can be included in the optimization algorithm to represent complex structures or components. However, the time and cost limitations are prohibitive when iteratively constructing and evaluating complete structural systems. Real-time hybrid simulation (RTHS) is an efficient and cost-effective experimental tool that combines numerical simulation with experimental testing to capture the total structural performance. This paper proposes a framework for real-time hybrid optimization (RTHO); RTHS is used to evaluate the performance of candidate designs within the optimization process. The framework creates a cyber-physical optimization environment using RTHS, a modern experimental technique with roots in earthquake engineering. This paper outlines the framework for RTHO with accompanying proof-of-concept studies. In a preliminary study, the base isolation design of a two-story building was optimized for seismic protection. RTHO was further validated for the optimal selection of multiple semi-active control law parameters for an MR damper installed in the isolation layer of a five-story base-isolated building. Both cases used RTHS to evaluate the candidate designs and particle swarm optimization (PSO) to drive the optimization. RTHO is well-suited to evaluate nonlinear experimental substructures, in particular those that do not undergo permanent damage such as structural control devices. Structural damage, if of interest, can be modeled through the numerical component. This paper proposes and demonstrates the integration of state-of-the-art optimization algorithms with state-of-the-art experimental methods – a cyber-physical approach to structural optimization.

1. Introduction

In the last two decades, design trends for civil infrastructure have shifted from prescriptive code procedures to performance-based methods. The structural engineers of tomorrow will be asked to produce lighter, taller, and more cost-effective designs to meet performance demands under natural and human-made hazards. Sustainable solutions that consider long-term costs and benefits will require new approaches to design and optimization. Structural optimization enables engineers to minimize user-specified objectives (e.g., material use) while ensuring strength and serviceability requirements constraints are met (e.g., requirements for drift and acceleration). Structural optimization includes size optimization, shape optimization, and topology optimization [1]. Size optimization focuses on optimizing the cross-section of the discrete structural members such as beams and columns, or thickness of continuous material such as panels and slabs. Shape optimization allows the location of nodes and connections to vary. Topology optimization uses the distribution of material and structural connectivity to find the optimal layout of the structure for a given shape.

     Optimization enables engineers to produce more efficient designs in an automated, algorithmic framework. In structural engineering, systems are often nonlinear and subject to physical or design code constraints, narrowing the field of optimization to nonlinear constrained problems. In this type of optimization, engineers seek the parameter values that minimize an objective function while subject to constraints. The optimization problem must first be expressed in this basic mathematical form and then solved using an optimization algorithm of choice.

5. Conclusions and recommendations

     This study presents a new approach for conducting structural optimization. The proposed RTHO framework is a cyber-physical optimization environment; optimization is numerically driven while the evaluation of candidate designs is conducted experimentally using RTHS. RTHS offers an efficient and cost-effective test method through the substructuring of dynamic systems into numerical and experimental components, another example of a cyber-physical system. The development of RTHO is discussed in detail and built around PSO, a popular heuristic search algorithm. PSO offers many benefits including broad search of the solution space; however, RTHO can easily be adapted to any optimization algorithm.

     RTHO was demonstrated to be effective in both linear elastic and nonlinear proof-of-concept studies. Through the RTHO, the base isolation design of a linear elastic structure was optimized for the seismic protection of a two-story building. The optimal design against single and multiple earthquakes was conducted to show the versatility for inclusion in performance-based design. The results using RTHO were compared with numerical optimization. Overall good agreement is observed between RTHO and numerical optimization for this simple structure, building confidence in applying RTHO to study complex systems that are difficult to model numerically. To show the benefits of RTHO when numerical models may be inadequate, a five-story baseisolated building with a nonlinear MR damper at the isolation layer was investigated. The control law of a physically modeled MR damper as optimized to mitigate structural acceleration against seismic loads. RTHO quickly converged for the nonlinear and multi-variate optimization problem. The hysteresis for the optimal solution looks as expected, with a large enclosed area to increase damping and a slight negative skew to reduce accelerations.

     The RTHO approach has many potential applications in civil engineering across a variety of hazards. In particular, the approach can be applied to structural control problems when the specimen is designed not to experience permanent damage and can be iteratively evaluated. Additionally, in wind engineering many specimens are designed not to experience damage and are suited for repeated experiments. RTHS, a cyber-physical system in itself, is well suited for integration into a cyber-physical optimization environment.

(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)

چکیده
1- مقدمه
2- بهینه سازی ترکیبی در زمان واقعی (RTHO)
2-1 بهینه سازی ازدحام ذرات
2-2 توسعه چارچوب RTHO
2-3 حرکات زمینی زمین لرزه
3- مجموعه های آزمایشی
3-1 ساختمان پایه جدا شده دو طبقه
3-1-1 سنسورها و میز لرزش تک محوری
3-1-2 راه اندازی آزمایشی
3-2 ساختمان پنج طبقه پایه جداسازی شده با میراگر MR
3-2-1 قانون کنترل نیمه فعال
3-2-2 راه اندازی آزمایشی
4- نتایج
4-1 ساختمان پایه جدا شده دو طبقه
1-1-4 بهینه سازی ساختاری با استفاده از RTHO در یک زمین لرزه منفرد
4-1-2 بهینه سازی ساختاری با استفاده از RTHO تحت مجموعه ای از زمین لرزه های طرح ریزی شده
4-2 ساختمان پایه جداسازی شده پنج ظبقه با میراگر MR
5- نتیجه گیری و پیشنهادات
منابع

ABSTRACT
1. Introduction
2. Real-time hybrid optimization (RTHO)
2.1. Particle swarm optimization
2.2. Development of RTHO framework
2.3. Earthquake ground motions
3. Experimental setups
3.1. Two-story base-isolated building
3.1.1. Uni-axial shake table and sensors
3.1.2. Experimental setup
3.2. Five-story base-isolated building with MR damper
3.2.1. Semi-active control law
3.2.2. Experimental setup
4. Results
4.1. Two-story base-isolated building
4.1.1. Structural optimization using RTHO under a single earthquake
4.1.2. Structural optimization using RTHO under a suite of design earthquakes
4.2. Five-story base-isolated building with MR damper
5. Conclusions and recommendations
References