بهینه یابی همزمان اندازه و توپولوژی خرپا با استفاده ازالگوریتم ترکیبی ژنتیک و جامعه پرندگان

امروزه علم بهینه سازی همگام با سایر علوم بسرعت مراحل پیشرفت و تکامل خود را می-پیماید. همچنین در مباحث مهندسی، از جمله مهندسی سازه، هیچگاه نمی توان در حالی که از اصول بهینه سازی استفاده نشده است، ادعا نمود که سازه مورد نظر مقرون به صرفه و اقتصادی می باشد. سیستم های طبیعی نسبت به سیستم های ساخت بشر دارای برتری هایی مانند خودتعمیری، راهنمای خود بودن و تولید مثل هستند که باعث انتخاب این سیستم ها به عنوان الگوی طراحی سیستم های مهندسی گردیده است. استفاده از این سیستم ها منجر به معرفی روشهای بهینه سازی برگرفته از پدیده های طبیعی شد که به دو دسته روشهای مبتنی بر طبیعت جاندار که از فرایند تکاملی جانداران در طبیعت ایده می گیرد و روش های مبتنی بر طبیعت بی جان که از فرایند های موجود در محیط بی جان بهره می برد، تقسیم می شوند. روشهای الگوریتم ژنتیک ، روش اجتماع مورچگان و روش بهینه سازی جامعه پرندگان از جمله روشهای مبتنی بر طبیعت جاندار هستند و روشهایی چون شبیه سازی ذوب فلزات و روش انفجار بزرگ-تراکم بزرگ جزو روشهای مبتنی بر طبیعت بی جان به شمار می روند. روش جستجوی هارمونی را می توان جزو روشهای برگرفته از سیستم های بشری طبقه بندی کرد. در اغلب روشهای مبتنی بر طبیعت، ابتدا جمعیتی از ذرات بطور تصادفی ایجاد شده و سپس مقدار تابع هدف برای هر یک از نقاط جمعیت محاسبه می شود. در مرحله تولید جمعیت، با کمک جمعیت موجود و یا اطلاعات بدست آمده از جمعیت های قبلی و نیز با استفاده از توابع توزیع احتمال مشخص یا هر عملگر تصادفی دیگر جمعیت جدید تولید می شود و سپس مقدار تابع هدف برای هر یک از اعضای جمعیت موجود محاسبه می گردد. این عمل یک پروسه تکراری است که به تعداد معین و یا تا رسیدن به یک جواب بهینه مطلوب ادامه می یابد. - بررسی اهمیت موضوع و تعیین اهداف امروزه با پیشرفت علوم و تکنولوژی نیازها و خواسته های جدید در عرصه مهندسی سازه رخ داده و عامل زمان در ساخت سازه ها اهمیت دو چندان یافته است. به علت کمبود منابع در دسترس برای ساخت و ساز و نیاز رو به افزایش بشر برای احداث سازه ها، توجه به استفاده بهینه از منابع بیش از پیش احساس می شود. ابزار لازم برای استفاده مطلوب از منابع محدود موجود در ساخت و سازها، بهره گیری از روش های بهینه سازی سازه ها می باشد. بهینه سازی به عنوان ترکیبی از مباحث ریاضیات و اقتصاد در سالهای اخیر کاربرد وسیعی در شاخه های گوناگون علوم نظیر مهندسی، علوم طبیعی، شیمی، فیزیک، پزشکی، اقتصاد و...یافته است. تا کنون تحقیقات زیادی در مورد بهینه سازی سازه ها انجام شده است که منجر به معرفی/کاربرد روش های مختلف بهینه سازی در این زمینه شده است. روش های ریاضی به علت نیاز به اطلاعات مشتقگیری(در اکثر موارد) و یا تقریب آن، غالبا در زمینه بهینه سازی سازه ها به خصوص سازه های پیچیده یا سازه های بزرگ مقیاس کاربرد چندانی نیافته اند. به جز چند روش مانند روش معیار بهینگی که در زمینه طراحی سازه ها (غالبا کوچک مقیاس) نسبتا خوب عمل می کند، سایر روش های مبتنی بر ریاضیات نمی توانند در زمینه بهینه سازی سازه ها کارکرد خوبی داشته باشند. نیاز به اطلاعات مشتق، پیچیدگی مشتق گیری یا غیر صریح بودن توابع، تعداد زیاد متغیر، بزرگی فضای جستجو، گسسته بودن فضا، زیاد بودن قیدهای طراحی و وابستگی نتایج به حدس های اولیه از جمله دلایلی است که از کارایی روش های کلاسیک می کاهد. در دهه های اخیر روش های فراکاوشی مطرح شده اند که به علت قابلیت استفاده از تواناییهای جستجوی تصادفی، به اطلاعات مشتق نیاز ندارند. اغلب با الهام از پدیده های طبیعی-که روند بهبود یک وضعیت واقعی را نشان میدهند- پایه ریزی شده اند. غالبا روش هایی چند عاملی هستند و تاثیر حدس های اولیه در جواب نهایی بسیار کمتر است و از اینرو بر عکس روش های کلاسیک که جستجوگرهای محلی هستند، جزو جستجوگرهای فراگیر شناخته می شوند و گسسته بودن فضای جستجو یا مشتق ناپذیر بودن توابع نمی تواند در پروسه جستجو مشکل ایجاد نماید. در نتیجه با توجه به بحث فوق به نظر می رسد در زمینه بهینه سازی سازه ها، این روش ها ابزار هایی مناسب باشند. ویژگیهای منحصر به فرد سازه های خرپایی باعث توجه روز افزون معماران و طراحان برای استفاده از آنها درسازه های جدید شده است، بطوریکه امروزه به سختی می توان سازه ای عمومی یافت که در آن- ولو در بخشی کوچکی از آن- از سازه های خرپایی استفاده نشده باشد. سازه های خرپایی اگر برای پوشش دهنه های بزرگ استفاده شوند، دارای تعداد زیادی المان خواهند بود و اگر به عنوان دکلهای انتفال نیرو به کار روند، معمولاً به تعداد زیاد ساخته خواهند شد. در کل انجام بهینه سازی توپولوژی، شکل و ابعاد آنها تاثیرات قابل ملاحظه ای به لحاظ کمی و کیفی ونهایتا ایجاد طرح های اقتصادی، بویژه در صنایع هوافضا خواهد داشت. در مسائل بهینه سازی استفاده از هر دو نوع متغییرهای پیوسته و گسسته رایج می-باشد تا بتوان انواع مسائل بهینه سازی را تحت پوشش قرار داد. در اکثر موارد بهینه سازی محاسباتی برای متغییرهای پیوسته توسعه داده می شود، لیکن از نظر ریاضی این متغیرها برای مسائل طراحی عملی، گسسته می باشند. خرپاها به عنوان سازه هایی با ساختار ساده و آنالیزسریع به کرات برای بررسی و مقایسه الگوریتمهای مختلف بهینه سازی بکار می روند. لذا طراحی بهینه سازه های خرپایی یک شاخه فعال تحقیقات در زمینه بهینه سازی می باشد. برای بهینه یابی سازه های خرپایی از الگوریتم های فرا ابتکاری استفاده می شود. اگرچه الگوریتم ژنتیک به صورت وسیع در امر بهینه سازی گسترش یافته است اما این الگوریتم خالی از مشکل هم نیست. از مهمترین این مشکلات این است که در مسائلی که بهینه سازی در مقیاس بالا دارند بسیار زمان بر بوده و سرعت همگرایی کمی دارد و نیازمند به یک کامپوتر با امکانات بالایی است و با در نظر گرفتن کارایی الگوریتم جامعه پرندگان در امر بهینه سازی می توان با یک الگوریتم ترکیبی معایب این دو الگوریتم را پوشش داد چون pso نیز به تنهایی دارای مشکلاتی است که اصلی ترین این مشکلات افتادن الگوریتم در بهینه های محلی است که به این منجر می شود که الگوریتم به درستی فضای جستجو را برای پیدا کردن بهینه مطلق مورد بررسی قرار ندهد و الگوریتم به همگرایی زودرس برسد. با استفاده از ترکیب خواص مفید روش های مختلف با هم می توان به متدهایی بهتر و برتر دست یافت و از این رو توسعه و ترکیب روش ها یک پایه مهم در بهبود روش های بهینه سازی موجود محسوب می شود. هدف از انجام این تحقیق، بهینه یابی همزمان اندازه و توپولوژی خرپا با استفاده از الگوریتم ترکیبی ژنتیک و جامعه پرندگان می باشد، بطوریکه همزمان با کاهش وزن، به آرایشی مناسب و پایدار برای سازه دست پیدا کنیم.