基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法及设备与流程

本发明涉及拱桥缆索吊装施工计算，具体而言，涉及基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法及设备。

背景技术：

1、钢管混凝土拱桥因其具有如强度高、跨越性好及造型优美等优点，近年来得到了大力发展。就目前而言，现有的拱桥通常采用缆索吊装斜拉扣挂法施工的施工方式，随着拱桥跨度的不断增大，相应的吊装节段数也随之增多，每个节段的精确对接变得更加困难，进而导致拱桥的施工精度不足，影响整体结构的稳定性和安全性，并且随着吊装节段的增加，施工过程中的安全风险也相应增加，特别是在高空作业和重物吊装方面。基于此，针对上述问题，我们设计了一种基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法及设备。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法及设备，其通过建立拱-缆索系统一体化有限元模型进行施工仿真，并结合响应面法与改进的灰狼优化算法(tcgwo)，对拱桥的施工过程进行优化，不仅确保了拱桥结构的稳定性和安全性，延长了结构的使用寿命；而且降低了施工过程中的安全风险，保障了施工人员的安全，也降低了施工复杂度。

2、本发明的实施例通过以下技术方案实现：

3、基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法，该方法的步骤包括：

4、建立拱-缆索系统一体化有限元模型，提取拱桥的各控制点在单位扣索力作用下的位移变化量，以形成控制点位移影响矩阵，并通过bbd设计试验进行随机抽样，建立扣索力与控制点位移之间的响应面模型；

5、设定响应面模型中的控制点位移误差最小化作为目标函数，通过改进后的tcgwo算法对目标函数进行优化求解，求得扣索力的最优解组合；

6、将扣索力的最优解组合输入至拱-缆索系统一体化有限元模型进行计算，得到控制点实际位移，对比控制点实际位移与响应面模型预测位移，验证响应面模型精度是否达到预设值，若否，则通过bbd设计试验重新进行随机抽样；若是，则输出扣索力的最优解组合。

7、可选的，所述拱-缆索系统一体化有限元模型，其具体为：输入拱桥的设计参数，并通过midas/civil模块进行有限元网格搭建，构成所述拱-缆索系统一体化有限元模型。

8、可选的，所述控制点位移影响矩阵的形成过程为：

9、初始化拱-缆索系统一体化有限元模型中的各个控制点，

10、对拱-缆索系统一体化有限元模型中的扣索施加单位力，求解每个控制点在单位扣索力作用下的位移变化量，应注意的是，在施加单位力的过程中，其余扣索力保持不变；同时，以塔架水平位移误差最小化作为目标函数，求解背索对应索力。

11、

12、其中，为第i个控制点在第j根扣索施加单位力时的位移，为第i个控制点在第j根扣索力为0时的位移，为第i个拱肋控制点在第j根扣索单位力作用下的位移变化量；

13、

14、其中，为第i个控制点在第j根扣索施加单位力时，对应第j根背扣索施加x倍单位力产生的位移，为第i个控制点在第j根扣索力为0时，对应第j根背扣索索力为0时的位移；

15、将计算获取的全部进行提取，形成n行m列的控制点位移影响子矩阵，对拱-缆索系统一体化有限元模型中的各个扣索重复上述步骤，整合得到所述控制点位移影响矩阵。

16、可选的，所述响应面模型，其具体建立过程为：

17、通过bbd设计试验进行随机抽样，以获取试验样本；

18、将试验样本作为输入，通过拱-缆索系统一体化有限元模型进行计算，得到与之对应的控制点位移值作为输出，所述对应的控制点位移值表征为响应值；

19、以二次多项式作为响应面模型的函数形式，并将输入输出带入最小二乘法进行计算，完成响应度模型的构建，所述完成建立的响应度模型表征扣索力与控制点位移之间的映射关系。

20、可选的，所述设定响应面模型中的控制点位移误差最小化作为目标函数，所述目标函数具体计算公式为：

21、

22、其中，为拱桥的各个扣索的索力调整量向量，，为调索后第i号控制点的位移值，为控制点的目标位移。

23、可选的，所述通过改进后的tcgwo算法对目标函数进行优化求解，求得扣索力的最优解组合，其具体过程为：

24、s1：初始化改进后的tcgwo算法参数；

25、s2：通过tent混沌映射生成初始种群，并求解初始种群每个个体的目标函数值；

26、s3：基于初始种群每个个体的目标函数值，迭代更新α狼、β狼及δ狼的位置信息，同时根据迭代次数对控制参数进行更新；

27、s4：根据更新后的控制参数以及α狼、β狼及δ狼的位置信息更新每个个体位置，根据更新后的个体位置，重新计算更新后个体目标函数值；

28、s5：判断是否达到最大迭代次数，若否，则重复步骤s2-s4；若是，则输出α狼的个体位置，所述α狼的个体位置表征所述扣索力的最优解组合。

29、可选的，所述对比控制点实际位移与响应面模型预测位移，其具体为：

30、将s5中获得的扣索力的最优解组合输入至拱-缆索系统一体化有限元模型中，通过拱-缆索系统一体化有限元模型进行计算，求得控制点实际位移；

31、计算控制点实际位移与响应面模型预测位移的误差，判断误差是否低于设定值，若否，则通过bbd设计试验重新进行随机抽样，重新执行步骤；若是，则输出扣索力的最优解组合。

32、一种电子设备，包括：

33、存储器，用于存储计算机程序；

34、处理器，用于执行所述计算机程序时实现基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法的步骤。

35、本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

36、本发明实施例通过建立拱-缆索系统一体化有限元模型进行施工仿真，并结合响应面法与改进的tcgwo算法，对拱桥的施工过程进行优化，不仅确保了拱桥结构的稳定性和安全性，延长了结构的使用寿命；而且降低了施工过程中的安全风险，保障了施工人员的安全，也降低了施工复杂度。

技术特征：

1.基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法及设备，其特征在于，该方法的步骤包括：

2.根据权利要求1所述的基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法，其特征在于，所述拱-缆索系统一体化有限元模型，其具体为：根据拱桥以及缆索系统的布置形式，输入拱桥以及缆索系统的相关设计参数，并经过有限元网格搭建，构成所述拱-缆索系统一体化有限元模型。

3.根据权利要求2所述的基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法，其特征在于，所述控制点位移影响矩阵的形成过程为：

4.根据权利要求3所述的基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法，其特征在于，所述响应面模型，其具体建立过程为：

5.根据权利要求4所述的基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法，其特征在于，所述设定响应面模型中的控制点位移误差最小化作为目标函数，所述目标函数具体计算公式为：

6.根据权利要求5所述的基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法，其特征在于，所述通过改进后的tcgwo算法对目标函数进行优化求解，求得扣索力的最优解组合，其具体过程为：

7.根据权利要求6所述的基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法，其特征在于，所述对比控制点实际位移与响应面模型预测位移，其具体为：

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

技术总结
本发明涉及斜拉扣挂拱桥施工计算技术领域，具体涉及基于灰狼优化算法的缆索吊装扣挂一体化设计方法及设备，包括：建立有限元模型，提取的各控制点在单位扣索力作用下的位移变化量，以形成控制点位移影响矩阵，并通过BBD设计试验进行随机抽样，建立扣索力与控制点位移之间的响应面模型；设定响应面模型中的控制点位移误差最小化作为目标函数，通过改进后的TCGWO算法对目标函数进行优化求解，求得扣索力的最优解组合；将扣索力的最优解组合输入至有限元模型进行计算，得到控制点实际位移，对比控制点实际位移与响应面模型预测位移，验证响应面模型精度是否达到预设值，若否，则重新进行随机抽样；若是，则输出扣索力的最优解组合。

技术研发人员：余洋,曾坤,向天宇,罗雨舟
受保护的技术使用者：四川路桥桥梁工程有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/29