Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy kết cấu bồn gia cường chứa dầu bằng phương pháp lai PSO - SQP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP. HỒ CHÍ MINH

LÊ ĐÌNH VĂN

TỐI ƯU HÓA DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY

KẾT CẤU BỒN GIA CƯỜNG CHỨA DẦU

BẰNG PHƯƠNG PHÁP LAI PSO - SQP

LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG

CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP. HỒ CHÍ MINH

LÊ ĐÌNH VĂN

TỐI ƯU HÓA DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU BỒN GIA

CƯỜNG CHỨA DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP LAI PSO - SQP

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số chuyên ngành: 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS NGUYỄN THỜI TRUNG

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2015

- i -

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn “Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy kết cấu bồn gia cường chứa dầu

bằng phương pháp lai PSO – SQP” là nghiên cứu do chính tôi thực hiện dưới sự

hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Thời Trung.

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả trong luận văn là đúng sự thật và chưa được

công bố ở các nghiên cứu khác.

Tôi xin chịu trách nhiệm về tất cả công việc mà tôi đã thực hiện trong luận văn.

Tp.HCM, ngày …. tháng …. năm 2015

Học viên thực hiện

LÊ ĐÌNH VĂN

- iii -

TÓM TẮT LUẬN VĂN

TÊN ĐỀ TÀI

“TỐI ƯU HÓA DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU

BỒN GIA CƯỜNG CHỨA DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP LAI PSO – SQP”

Luận văn nhằm thực hiện đề tài “Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy kết cấu bồn

gia cường chứa dầu bằng phương pháp lai PSO – SQP”. Mô hình tính toán của kết

cấu bồn gia cường chứa dầu là vỏ có gia cường dầm với ngàm biên ở đáy bồn. Phương

pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) với phần tử CS-DSG3 (Cell￾based Smoothed Discrete Shear Gap) được sử dụng để phân tích ứng xử cho bài toán

vỏ gia cường dầm. Bài toán thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy (Reliability-Based

Design Optimization – RBDO) được thiết lập với hàm mục tiêu là trọng lượng thành

bồn, biến thiết kế là chiều dày của thành bồn và kích thước mặt cắt ngang của dầm.

Trong đó, phương pháp lai PSO – SQP (là sự kết hợp giữa phương pháp: tối ưu hóa

bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) và giải thuật bình phương tuần tự

(Sequential Quadratic Programming – SQP)) và Phương pháp độ tin cậy bậc nhất

ngược (Inverse First Order Reliability Method – Inv-FORM) lần lượt được sử dụng để

giải bài toán tối ưu hóa và bài toán đánh giá độ tin cậy tại mỗi vòng lặp của giải thuật

tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy tuần tự (Sequential Optimization and Reliability

Assessement – SORA).

Việc giải bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy kết cấu bồn gia cường được thực

hiện qua các bước như sau:

Bước 1: Phân tích ứng xử kết cấu bồn gia cường dầm bằng phần tử CS-DGG3.

Bước 2: Thiết lập và giải bài toán thiết kế tối ưu kết cấu bồn gia cường chứa dầu

bằng phương pháp lai PSO - SQP.

Bước 3: Thiết lập và giải bài toán thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy (RBDO) kết

cấu bồn gia cường chứa dầu bằng hai phương pháp PSO – SQP và

phương pháp độ tin cậy bậc nhất ngược (Inv-FORM).

- iv -

Các kết quả phân tích ứng xử được kiểm chứng bởi kết quả thu được từ phần

mềm ANSYS hoặc lời giải giải tích của bài toán vỏ trụ tròn, trục thẳng đứng chịu uốn

trong lý thuyết tấm vỏ. Đối với bài toán tối ưu hóa tại bước 2, để đánh giá hiệu quả của

phương pháp lai PSO – SQP thì nghiệm tối ưu đạt được của bài toán sẽ được so sánh

với nghiệm tối ưu của phương pháp tiến hóa cải tiến (Improved Constrained

Diffirential Evolution – ICDE) và phương pháp PSO. Nghiệm tối ưu thu được sau khi

giải bài toán thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy bằng phương pháp lai PSO – SQP ở

bước 3 sẽ được kiểm tra, so sánh với các thiết kế thực tế.

Từ khóa:

Phần tử hữu hạn (PTHH); phương pháp lai tối ưu hóa bầy đàn - giải thuật bình

phương tuần tự (PSO – SQP); phương pháp thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy

(RBDO); thuật giải tối ưu dựa trên độ tin cậy tuần tự (SORA).

- 1 -

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... iii

MỤC LỤC...................................................................................................................1

DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................3

DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................6

TỔNG QUAN.................................................................................................................7

1.1 Giới thiệu chung .................................................................................................7

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới...................................................................11

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước .....................................................................12

1.4 Mục tiêu của đề tài ...........................................................................................13

1.5 Phạm vi nghiên cứu..........................................................................................13

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................................14

2.1 Lý thuyết vỏ Reissner – Mindlin gia cường dầm Timoshenko........................14

2.1.1 Tấm Reissner – Mindlin ............................................................................14

2.1.2 Vỏ Reissner - Mindlin................................................................................20

2.1.3 Dầm Timoshenko.......................................................................................22

2.1.4 Vỏ Reissner-Mindlin được gia cường bởi dầm Timoshenko ....................28

2.2 Phương pháp PTHH cho bài toán vỏ gia cường dầm.......................................29

2.2.1 Phương pháp PTHH cho bài toán vỏ .........................................................30

2.2.2 Phương pháp PTHH cho bài toán dầm ......................................................37

2.2.3 Phương pháp PTHH cho bài toán vỏ gia cường dầm ................................40

2.3 Lý thuyết tối ưu hóa sử dụng phương pháp lai PSO – SQP.............................41

2.3.1 Giới thiệu ...................................................................................................41

2.3.2 Phương pháp PSO......................................................................................42

2.3.3 Phương pháp SQP......................................................................................45

2.3.4 Phương pháp lai PSO – SQP .....................................................................46

- 2 -

2.4 Lý thuyết thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy (RBDO) .....................................47

2.4.1 Phân tích độ nhạy.......................................................................................50

2.4.2 Phương pháp độ tin cậy bậc nhất ngược Inv-FORM.................................50

2.4.3 Giải thuật RBDO dựa trên phương pháp lai PSO – SQP và phương pháp

Inv-FORM .................................................................................................53

KẾT QUẢ SỐ...............................................................................................................57

3.1 Bài toán bồn gia cường chứa dầu có dung tích 5.000 m3

.................................59

3.2 Bài toán bồn gia cường chứa dầu có dung tích 20.000 m3

...............................66

3.3 Nhận xét kết quả...............................................................................................73

3.4 Mối quan hệ giữa hệ số an toàn và độ tin cậy của kết cấu ...............................74

3.5 So sánh kết quả của luận văn với kết quả trong các thiết kế thực tế................75

3.6 Khảo sát bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy ứng với tỉ lệ thay đổi khác

nhau của biến ngẫu nhiên .................................................................................76

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .............................................................................79

4.1 Kết luận ............................................................................................................79

4.2 Khuyến nghị .....................................................................................................80

4.2.1 Những hạn chế của nghiên cứu..................................................................80

4.2.2 Hướng phát triển đề tài ..............................................................................81

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................82

PHỤ LỤC .....................................................................................................................87

- 3 -

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1. So sánh kết quả phân tích ứng xử của vỏ không gia cường. .....................60

Bảng 3.2. So sánh kết quả phân tích ứng xử của vỏ gia cường dầm..........................61

Bảng 3.3. Kết quả phân tích độ nhạy của hàm chuyển vị và hàm ứng suất...............62

Bảng 3.4. Nghiệm bài toán tối ưu (không xét độ tin cậy) của ba phương pháp PSO –

SQP, ICDE và PSO....................................................................................62

Bảng 3.5. Kết quả tối ưu hóa của bài toán RBDO ứng với các trường hợp xác suất an

toàn khác nhau. ..........................................................................................63

Bảng 3.6. Chênh lệch giá trị hàm mục tiêu trong hai trường hợp tính toán...............64

Bảng 3.7. So sánh nghiệm tối ưu trong hai trường hợp. ............................................65

Bảng 3.8. So sánh kết quả phân tích ứng xử của vỏ không gia cường. .....................67

Bảng 3.9. So sánh kết quả phân tích ứng xử của vỏ có gia cường.............................68

Bảng 3.10. Kết quả phân tích độ nhạy của hàm chuyển vị và hàm ứng suất...............69

Bảng 3.11. Nghiệm bài toán tối ưu (không xét độ tin cậy) của ba phương pháp PSO –

SQP, ICDE và PSO....................................................................................70

Bảng 3.12. Kết quả tối ưu hóa của bài toán RBDO ứng với các trường hợp xác suất an

toàn khác nhau. ..........................................................................................71

Bảng 3.13. Chênh lệch giá trị hàm mục tiêu trong hai trường hợp tính toán...............72

Bảng 3.14. So sánh nghiệm tối ưu trong hai trường hợp. ............................................73

Bảng 3.15. Mối liên quan giữa hệ số an toàn và độ tin cậy kết cấu.............................74

Bảng 3.16. Kết quả thu được từ luận văn và các thiết kế thực tế.................................75

Bảng 3.17. Khảo sát nghiệm bài toán RBDO (bồn 5.000 m3

) khi thay đổi tỉ lệ thay đổi

V của các biến ngẫu nhiên ν và P...............................................................77

Bảng 3.18. Khảo sát nghiệm bài toán RBDO (bồn 20.000 m3

) khi thay đổi tỉ lệ thay

đổi V của các biến ngẫu nhiên ν và P ........................................................77

- 4 -

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Bồn chứa dầu tại nhà máy lọc dầu Dung Quất. .............................................7

Hình 1.2. Dự án kho xăng dầu hàng không miền Nam..................................................8

Hình 1.3. Hình dáng chung bồn chứa dầu với mái kết cấu trụ cầu................................9

Hình 1.4. Mặt cắt đứng một bồn chứa dầu.....................................................................9

Hình 2.1. Phần tử vỏ thoải. ..........................................................................................14

Hình 2.2. Quy ước dấu của tấm. ..................................................................................15

Hình 2.3. a) Quy ước dấu trong mặt phẳng Oxz; b) Quy ước dấu trong mặt phẳng Oyz.

......................................................................................................................16

Hình 2.4. Biến dạng của tấm........................................................................................17

Hình 2.5. Chuyển hệ tọa độ cho phần tử tam giác.......................................................20

Hình 2.6. Chuyển hệ tọa độ cho phần tử dầm..............................................................22

Hình 2.7. Quy ước dấu cho dầm. .................................................................................23

Hình 2.8. Chuyển vị và biến dạng của dầm. ................................................................24

Hình 2.9. Đổi biến dầm................................................................................................26

Hình 2.10. Phần tử vỏ gia cường dầm...........................................................................29

Hình 2.11. Phần tử tam giác trên miền tham chiếu. ......................................................32

Hình 2.12. Tọa độ các nút trong hệ tọa độ tổng thể. .....................................................33

Hình 2.13. Phần tử CS-DSG3 được chia nhỏ thành 3 tam giác con. ............................35

Hình 2.14. Phần tử dầm hai nút.....................................................................................37

Hình 2.15. Phần tử dầm trên miền tham chiếu..............................................................39

Hình 2.16. Sơ đồ của thuật giải PSO.............................................................................43

Hình 2.17. Khởi tạo quần thể ban đầu...........................................................................44

Hình 2.18. Cập nhật vận tốc và vị trí của cá thể............................................................45

Hình 2.19. Sơ đồ khối phương pháp lai PSO – SQP.....................................................47

Hình 2.20. Kết quả tối ưu khi xét đến độ tin cậy và không xét đến độ tin cậy. ............48

Hình 2.21. Hai vòng lặp riêng biệt của giải thuật SORA..............................................49

Hình 2.22. Điểm thiết kế MPP trong không gian vật lý và không gian chuẩn hóa.......51

Hình 2.23. Sơ đồ thuật toán Inv-FORM........................................................................53