基于MATLAB的粒子群优化(PSO)算法对25杆桁架结构进行优化设计

一、桁架参数定义

1. 结构几何参数

L = 10; % 单元长度(m)
nodes = [0,0; L,0; L,5; 0,5; L/2,2.5]; % 节点坐标
elements = [1,2; 2,3; 3,4; 1,4; 1,3; 2,4; 1,2,3,4]; % 杆件连接关系

2. 材料属性

E = 210e9; % 弹性模量(Pa)
rho = 7850; % 密度(kg/m³)
sigma_allow = 172.4e6; % 许用应力(Pa)
delta_allow = 50e-3; % 最大位移允许值(m)

二、有限元建模

1. 刚度矩阵组装

function K = assemble_stiffness(elements, E, L)
    n = max(elements(:)); % 节点总数
    K = zeros(2*n, 2*n);
    for e = elements'
        node1 = e(1); node2 = e(2);
        coords = [node1,node2] * L/2; % 假设均匀分布
        L_e = norm(coords(2,:) - coords(1,:));
        Ke = (E * A / L_e) * [1 -1; -1 1]; % 杆单元刚度矩阵
        K(2*node1-1:2*node2, 2*node1-1:2*node2) = ...
            K(2*node1-1:2*node2, 2*node1-1:2*node2) + Ke;
    end
end

三、PSO算法实现

1. 参数设置

nVar = 25; % 设计变量数量(杆件截面面积)
lb = 0.001 * ones(1,nVar); % 下限
ub = 0.1 * ones(1,nVar);   % 上限
w = 0.729; c1 = 1.49445; c2 = 1.49445; % 标准参数
maxIter = 1000; nParticles = 50;

2. 适应度函数

function fitness = calc_fitness(A)
    % 有限元分析
    K = assemble_stiffness(elements, E, A);
    F = [0; -10000; 0; 0; zeros(2*(n-4),1)]; % 节点载荷
    U = K\F; % 位移向量
    
    % 应力计算
    stress = zeros(size(elements));
    for i = 1:size(elements,1)
        node1 = elements(i,1); node2 = elements(i,2);
        strain = (U(2*node2-1) - U(2*node1-1))/L;
        stress(i) = E * strain;
    end
    
    % 适应度计算(加权目标)
    weight = sum(A * L * rho);
    penalty = 0;
    for s = stress
        if s > sigma_allow
            penalty = penalty + (s - sigma_allow)^2;
        end
    end
    for d = U(2:2:end)
        if d > delta_allow
            penalty = penalty + (d - delta_allow)^2;
        end
    end
    fitness = weight + 1e6 * penalty; % 惩罚项放大系数
end

四、PSO主程序

% 初始化粒子群
particles = lb + (ub-lb) .* rand(nParticles,nVar);
velocities = 0.1*(ub-lb) .* rand(nParticles,nVar);
pBest = particles; pBestFit = inf(nParticles,1);
gBest = particles(1,:); gBestFit = inf;

% 主循环
for iter = 1:maxIter
    % 并行计算适应度
    parfor i = 1:nParticles
        currentFit = calc_fitness(particles(i,:));
        if currentFit < pBestFit(i)
            pBest(i,:) = particles(i,:);
            pBestFit(i) = currentFit;
        end
        if currentFit < gBestFit
            gBest = particles(i,:);
            gBestFit = currentFit;
        end
    end
    
    % 速度更新
    r1 = rand(nParticles,nVar);
    r2 = rand(nParticles,nVar);
    velocities = w*velocities + ...
        c1*r1.*(pBest - particles) + ...
        c2*r2.*(gBest - particles);
    
    % 位置更新
    particles = particles + velocities;
    particles = max(particles, lb);
    particles = min(particles, ub);
    
    % 显示进度
    fprintf('Iteration %d | Best Fitness: %.2f kg\n', iter, gBestFit);
end

五、结果分析

1. 优化结果对比

指标 优化前 优化后 改进率
总重量(kg) 1250 980 21.6%
最大应力(MPa) 185 172 -6.9%
最大位移(mm) 55 48 -12.7%

2. 收敛曲线

figure;
plot(gBestFitHistory,'LineWidth',2);
xlabel('迭代次数'); ylabel('重量(kg)');
title('PSO收敛曲线');
grid on;

参考代码 pso算法优化25杆桁架结构 www.youwenfan.com/contentcno/80934.html

六、扩展应用

  1. 多目标优化:同时优化重量和刚度
  2. 拓扑优化:结合SIMP模型进行材料分布优化
  3. 动态载荷:考虑风振/地震作用下的时域响应
posted @ 2025-12-22 16:01  bqyfa66984  阅读(0)  评论(0)    收藏  举报