本发明涉及一种用于减小跨海桥梁波浪荷载的桥墩横截面优化方法，属于桥梁工程设计建造。
背景技术：
1、跨海桥梁工程建设是交通基础设施发展的重点，我国海岸线辽阔，跨海交通路网尚未完善，跨海桥梁需求广泛。然而，跨海桥梁在建造与运营过程中，桥墩时刻承受巨大的波浪荷载，恶劣的海洋环境对结构的韧性和稳定性造成潜在威胁。波浪力对结构的几何形状非常敏感，因此在跨海桥梁设计中，优化桥墩的横截面形状是减小波浪荷载的一种行之有效的手段，可以在保证结构强度和承载力的同时，降低破坏的风险和维护的成本。
2、桥墩的横截面形状优化包括两方面关键技术：波浪和结构之间相互作用的水动力计算方法，以及搜索最佳截面形状的优化算法。基于仿真的设计方法被认为是一种具有巨大优势的几何外形优化方法。计算流体力学由于其在高保真流动模拟中的良好表现，是目前应用最广泛的流固耦合计算方法之一。然而，其瞬态算法和较高的计算成本等缺点使其难以直接用于波浪作用下跨海桥梁桥墩的横截面优化。
3、另一个重要问题是如何将水动力分析与优化算法相结合，使优化算法有效地引导水动力计算走向最优形状。优化算法作为优化问题的核心，旨在考虑各种设计目标和约束，在给定的设计空间内搜索最佳形状。一种流行的方法是应用与cfd相关的伴随方法，该方法直接改变离散的几何形状，并利用从流体流动控制方程中导出的伴随方程来有效地计算有关形状修改后评价指标的灵敏度。一般来说，伴随策略在稳定流的局部优化中是可以接受的，但在周期振荡流(如海浪)中的全局几何优化仍然是一项非常耗时的任务。为了避免耗时的水动力分析，提高优化效率，一些研究采用代理方法作为高保真仿真的替代模型。通过对大量仿真进行预分析，建立水动力数据库，然后利用回归方法建立有限变量的代理模型。然而，代理模型的准确性与泛化性能难以保证，最终可能导致优化不足。
4、因此，为提高结构安全性、稳定性与韧性，发明了一种高效实用的桥墩横截面外形优化方法。结果表明，该方法在减小跨海桥梁波浪减载上有显著的优化效果。
技术实现思路
1、为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提供一种用于减小跨海桥梁波浪荷载的桥墩横截面优化方法。
2、本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种用于减小跨海桥梁波浪荷载的桥墩横截面优化方法，包括以下步骤：
3、步骤1、初始化桥墩横截面形状向量c，设定波浪参数；
4、步骤2、使用基于傅里叶级数展开的参数化模型将形状向量c转化为桥墩的横截面轮廓；
5、步骤3、将横截面轮廓沿竖向拓展，使用网格自动划分技术，生成桥墩结构的表面网格；
6、步骤4、将桥墩表面网格输入水动力求解模块中，计算作用在桥墩上的波浪力；
7、步骤5、将波浪力馈送给优化器模块，判定是否满足优化终止条件，若满足，输出最优截面形状；若不满足，优化器模块搜索新的横截面形状向量，并重复步骤2～5；
8、若不满足优化终止规则，依照模式搜索算法，调整形状向量c，在解空间搜寻新的形状，并重新开始，直到满足终止规则与约束条件，则确定最优几何外形设计参数；
9、其优化目标和约束条件为；
10、
11、s.t.-1≤ci≤1,i＝1,…,n
12、f(c,θ)＞0,θ∈[0,2π)
13、max f(c,θ)/minf(c,θ)≤rratio
14、
15、其约束条件中第一项表示解空间，即形状系数的取值范围；对于第二项约束，当优化器在设计域内搜索解时，形状向量中不适当的组合可能会产生负半径的异常截面，应通过设置正半径约束来合理避免；第三项约束控制最大半径与最小半径的比值，避免产生长宽比过大的截面，保证结构稳定性；第四项约束，截面面积保持不变，以保证优化截面不损失抗压承载力；
16、式中：f0为基准形状c0的波浪力；d为水深；h为波高；ω为波浪频率；γ为波浪方向。
17、进一步的技术方案是，所述步骤1中初始化形状为任意一个横截面。
18、进一步的技术方案是，所述步骤1中一般选择圆形作为基准形状开始优化。
19、进一步的技术方案是，所述步骤2中参数化模型为：
20、
21、式中：r是极坐标系下横截面轮廓上点的极径，θ为极角；c0、cn为横截面形状系数，-1≤cn≤1。
22、进一步的技术方案是，所述步骤3中网格划分过程为：首先将截面轮廓沿环向均匀划分为nθ，随后在竖直方向上将离散的截面轮廓拉伸nz次，形成桥墩表面网格。
23、进一步的技术方案是，所述步骤4中采用频域边界元法对桥墩上的波浪力进行求解。
24、进一步的技术方案是，所述步骤5中使用广义模式搜索算法，搜索解空间中最优截面参数。
25、进一步的技术方案是，所述广义模式搜索算法的具体过程为：
26、(1)给定一个初始基点初始步长δ0，收缩因子τ，扩张因子λ，容许步长ε以及方向矩阵d，计算初始函数值f(x0)；
27、(2)探索性移动；
28、根据当前步长和方向探索性地向网格点xk+1,j＝xk+δkdj移动，以寻找新的可能解，其中dj是矩阵d的第j列，1＜j＜2n；
29、(4)轮询阶段，轮询以选择适当的探索点来更新当前点和当前步长；按照一定的顺序依次计算周围探索点xk+1,j的函数值f(xk+1,j)，当f(xk+1,j)＜f(xk)时更新当前基点xk+1＝xk+1,j，扩大探索步长δk+1＝λδk；当f(xk+1,j)＞f(xk)时，轮询失败，xk+1＝xk，缩小步长δk+1＝τδk；
30、(4)终止条件；
31、判断步长是否满足δk＜ε，如果满足则停止搜索，否则以新的基点为中心继续搜索，重复步骤(2)，(3)。
32、本发明具有以下有益效果：
33、1、使用本发明优化跨海桥梁桥墩外形，可以显著减小波浪荷载，提高结构稳定性和安全性；
34、2、本发明采用频域边界元和模式搜索算法，保证了形状优化的高效性以及良好的收敛性。
1.一种用于减小跨海桥梁波浪荷载的桥墩横截面优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种用于减小跨海桥梁波浪荷载的桥墩横截面优化方法，其特征在于，所述步骤1中初始化形状为任意一个横截面。
3.根据权利要求2所述的一种用于减小跨海桥梁波浪荷载的桥墩横截面优化方法，其特征在于，所述步骤1中一般选择圆形作为基准形状开始优化。
4.根据权利要求1所述的一种用于减小跨海桥梁波浪荷载的桥墩横截面优化方法，其特征在于，所述步骤2中参数化模型为：
5.根据权利要求1所述的一种用于减小跨海桥梁波浪荷载的桥墩横截面优化方法，其特征在于，所述步骤3中网格划分过程为：首先将横截面轮廓沿环向均匀划分为nθ，随后在竖直方向上将离散的截面轮廓拉伸nz次，形成桥墩表面网格。
6.根据权利要求1所述的一种用于减小跨海桥梁波浪荷载的桥墩横截面优化方法，其特征在于，所述步骤4中采用频域边界元法对桥墩上的波浪力进行求解。
7.根据权利要求1所述的一种用于减小跨海桥梁波浪荷载的桥墩横截面优化方法，其特征在于，所述步骤5中使用广义模式搜索算法，搜索解空间中最优截面参数。
8.根据权利要求7所述的一种用于减小跨海桥梁波浪荷载的桥墩横截面优化方法，其特征在于，所述广义模式搜索算法的具体过程为：
