Ảnh minh họa
Bài báo trình bày một cách tiếp cận để tối ưu hóa hình học và trọng lượng của một cây cầu giàn quy mô lớn dựa trên phân tích tĩnh kết hợp với tối ưu hóa bầy đàn (PSO). PSO là một thuật toán tiến hóa được áp dụng thành công trong nhiều vấn đề tối ưu hóa trong những thập kỷ qua. Các biến thiết kế bao gồm kích thước mặt cắt ngang của các thanh giàn và các tải trọng tác động lên kết cấu. Các ràng buộc đối với ứng suất của các thanh giàn được chọn là một hàm mục tiêu để giảm thiểu sự khác biệt giữa các ứng suất tính toán và các ứng suất cho phép. Kết quả chỉ ra rằng, phương pháp đề xuất đã giảm được trọng lượng của cầu so với thiết kế ban đầu.
Trong nhiều thập kỷ gần đây, tối ưu hóa đã trở thành một chủ đề nghiên cứu nhận được nhiều sự quan tâm từ cộng đồng khoa học trong rất nhiều lĩnh vực, tối ưu hóa thiết kế là một trong số đó. Bài báo xem xét vấn đề tối ưu hóa hình học của các giàn bằng cách tối ưu hóa các mặt cắt ngang các thanh, từ đó giảm trọng lượng kết cấu. Các vấn đề đơn giản nhất về tối ưu hóa giàn thép đã được đưa ra trong Haug và các cộng sự nhưng các kiểu của mặt cắt ngang thanh không được xác định. Sergeyev và Mroz đã áp dụng kỹ thuật lập trình bậc hai tuần tự để thiết kế tối ưu kết cấu khung với cả hai biến hình dạng và kích thước. Các thuật toán để giải quyết các bài toán phi tuyến cũng được áp dụng như thuật toán di truyền được giới thiệu bởi Hayalioglu ứng dụng cho kết cấu thanh giàn đàn hồi. Zheng và các cộng sự ứng dụng để tìm ra vị trí nút và kích thước thành phần tối ưu, như vậy trọng lượng hoặc khối lượng vật liệu của kết cấu sẽ được giảm thiểu.
Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn được phát triển bởi R. C. Eberhart and J. Kennedy và được Gomes, Herbert Martins áp dụng với việc tối ưu hóa kết cấu giàn về kích thước và hình dạng được thực hiện có xét đến các ràng buộc về tần số. Tối ưu hóa kết cấu về hình dạng và kích thước là các vấn đề tối ưu hóa phi tuyến tính do việc tối ưu hóa về lượng mâu thuẫn với các ràng buộc tần số. Trong bài báo này, các giải pháp cho các vấn đề tối ưu hóa được thực hiện bằng cách sử dụng môi trường lập trình toán học MATLAB. Với việc áp dụng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) kết hợp các điều kiện ràng buộc, phương pháp lặp đối với từng phần tử sau mỗi lần thực hiện kết quả mới được đem so sánh với kết quả cũ, từ đó ta thu được các thông số mới tối ưu hơn nhưng vẫn đảm bảo các điều kiện về mặt chịu lực và ổn định.
Ở Việt Nam, tối ưu hóa bầy đàn đã bắt đầu được áp dụng cho một số lĩnh vực trong thời gian gần đây. Nguyễn Thị Hoàng Phương trình bày về việc xây dựng và đánh giá hiệu quả mô hình thử nghiệm đối với phương pháp lọc cộng tác sử dụng mô hình láng giềng và phân cụm lọc cộng tác tối ưu trọng số sử dụng PSO trên tập dữ liệu MovieLens 100k. Trần Thái Bảo ước lượng được chi phí và nỗ lực để phát triển phần mềm gần chính xác nhất; giảm thời gian trong việc ước lượng, đảm bảo thời gian hoàn thành dự án kịp tiến độ, đảm bảo được chi phí trong quá trình phát triển.
Tuy nhiên, việc ứng dụng tối ưu hóa, cụ thể sử dụng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để giải quyết các vấn đề thuộc lĩnh vực xây dựng nói chung và lĩnh vực thiết kế kết cấu tối ưu hình học của kết cấu nói riêng còn hạn chế, với rất ít các tài liệu cũng như các xuất bản liên quan đến lĩnh vực này. Dựa trên các khả năng tìm kiếm trong phạm vi rộng của thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO), trong bài báo này chúng tôi đề xuất sử dụng PSO để tối ưu hóa hình học của kết cấu giàn thép, với công trình thực tế được xem xét đến là cầu Chương Dương sẽ được mô tả chi tiết ở phần 3.1. Phần còn lại của bài báo này được tổ chức như sau: Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) giới thiệu trong trong phần 2. Phần 3: Ứng dụng của tối ưu hóa vào công trình cầu giàn thép nhịp lớn. Cuối cùng, một số kết luận được rút ra đó là:
Trong bài báo, thuật toán tối ưu tiến hóa bầy đàn đã được áp dụng để tối ưu hóa hình học cho một cầu giàn thép quy mô lớn. Với mục đích tìm trọng lượng và kích thước tối ưu cho tất cả các phần tử của kết cấu mà vẫn đảm bảo các điều kiện ràng buộc. Kết quả sau khi chạy tối ưu cho thấy, so với các yếu tố hình học ban đầu, trọng lượng kết cấu ban đầu 236.203 (tấn) thép, các thông số mới, trọng lượng của kết cấu mới 116.304 (tấn) thép đã giảm đáng kể 119.899 (tấn) thép nhưng vẫn giữ được yêu cầu tối thiểu mà bài toán đặt ra về cường độ chịu nén và kéo. Tuy nhiên, bài báo này mới chỉ xét đến bài toán tối ưu hóa yếu tố hình học của cầu giàn thép. Những nghiên cứu tiếp theo sẽ được triển khai để tối ưu hóa liên kết, sử dụng các loại phần tử khác cũng như tối ưu hóa hình học cho các kết cấu khác.