مطالعه تجربی و مقایسه ای بر روی رویکردهای کنترل قیود الگوریتم های فراکاوشی در بهینه یابی سازه ای

مسئله بهینه سازی سازه ای را می توان یکی از پیچیده ترین مسائل بهینه یابی در بین تمامی رشته های مهندسی دانست که این پیچیدگی از عوامل مختلفی نظیر تعداد زیاد متغیرهای طراحی یا بزرگتر شدن اندازه مسئله، طبیعت عموما گسسته فضای جستجو، و گسست غیرخطی و غیر مسطح فضای جستجو توسط قیود متعدد غیر خطی و پیچیده (معیارهای طراحی) نشات گرفته است. در دو دهه اخیر پیشرفت دانش نرم افزاری و سخت افزاری علم کامپیوتر به همراه پیشرفت علم مهندسی سازه باعث گسترش چشمگیر مسائل بهینه سازی سازه ای از لحاظ اندازه و تنوع تحت پیچیده ترین روش های تحلیل و طراحی شده است. از اینرو محققان در این زمینه به دلیل ناکارآمدی و عدم پاسخگویی روشهای کلاسیک ریاضی روی به سمت الگوریتم های فراکاوشی آورده اند. در این راستا ادبیات بهینه یابی سازه ای رشد قابل توجهی در سه حوزه باز برای تحقیق که به ترتیب عبارتند از: (۱) بهینه یاب (۲) مدلسازی و حل مسائل مهندسی سازه ای جدید به صورت یک مسئله بهینه، و (۳) تحلیلگر، تجربه نموده است. تحقیق حاضر در راستای حوزه دوم یعنی نحوه مدلسازی مسائل بهینه یابی سازه ای به دنبال بررسی انواع روش های موجود برای کنترل قیود طراحی می باشد. اهمیت این موضوع از این منظر قابل توجه می باشد که همواره می توان انتظار داشت که حل های بهینه کلی عمدتا در مرز بین قیود و حداقل برای تعدادی از متغیرها فعال می باشند. از اینرو قطعا نحوه کنترل قیود می تواند تاثیر مستقیم در دقت و سرعت همگرایی این الگوریتم ها داشته باشد که تا کنون به صورت جامع و مقایسه ای در مطالعات گذشته مورد توجه قرار نگرفته است. در راستای این هدف روش های متعدد موجود و شناخته شده کنترل قیود بررسی و سه روش تابع جریمه استاتیکی، تابع جریمه دینامکی، و روش پرواز به مرزها به عنوان متداولترین روش ها انتخاب شدند و در قالب ۳ الگوریتم فراکاوشی الهام گرفته شده از چهارچوب های متفاوت که به ترتیب عبارتند از الگوریتم پرنده فاخته الهام گرفته شده از زندگی اجتماعی حیوانات (CS)، الگوریتم جستجوی ذرات باردار الهام گرفته شده از قوانین فیزیکی (CSS)، و الگوریتم تبخیر آب الهام گرفته شده از آب (WEO)، برای حل بهینه مسائل شاخص بهینه یابی سازه ای کوچک، متوسط و بزرگ مقیاس مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج لازم از منظر سادگی عملیاتی، دقت، سرعت، و قابیلت اعتماد گردآوری و بررسی های صورت گرفته حاکی از تاثیر بسزای این روش ها در نحوه عملکرد الگوریتم های فراکاوش منی باشد. به گونه ای که روش تابع جریمه استاتیکی فقط برای مسائل سازه ای کوچک از منظر سادگی عملیاتی و با اغماض از کاهش دقت اندک مشهود توصیه می گردد. روش تابع جریمه دینامیکی بهترین انتخاب برای مسائل کوچک و متوسط مقیاس و بهترین انتخاب در ازای قبول مشکل تیون کردن پارامترهایش برای مسائل سازه ای بزرگ مقیاس می باشد. روش پرواز به مرزها به عنوان روش مناسب از منظر سادگی عملیاتی و با کاهش اندک دقت همگرایی به عنوان روش مناسب برای هر نوع اندازه مسئله بیهنه یابی سازه ای توصیه می گردد.

Keywords:

بهینه یابی سازه ای , الگوریتم فراکاوشی , روش کنترل قیود , الگوریتم پرنده فاخته , الگوریتم تبخیر آب , الگوریتم جستجوی جستجوی ذرات باردار. روش تابع جریمه استاتیکی و دینامیکی , روش پرواز به مرزها.