Araştırma Makalesi
BibTex RIS Kaynak Göster

Kafes Yapıların NSGA-II ve SHAMODE Algoritmaları ile Çok-amaçlı Optimizasyonu

Yıl 2025, Cilt: 41 Sayı: 2, 432 - 446, 30.08.2025

Öz

Bu çalışmada, büyük ölçekli çok-amaçlı kafes yapı optimizasyonunda Başarı Geçmişine Dayalı Uyarlamalı Çok Amaçlı Diferansiyel Evrim (SHAMODE) ve İkinci Nesil Sıralamalı Genetik Algoritma (NSGA-II) yöntemlerinin performansları incelenmiştir. Amaç, kafes sistemin yapısal ağırlığını ve maksimum düğüm noktası deplasmanlarını minimize ederken, gerilme ve deplasman sınırlayıcılarını da sağlamaktır. Bu iki yöntem ile yapılan optimizasyon sonucunda elde edilen Pareto çözümlerin kalitesi ve dağılımı, Hiperhacim (HV), Nesilsel Uzaklık (GD), Ters Nesilsel Uzaklık (IGD) ve Aralık-Uzunluk Oranı (STE) performans ölçütleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Farklı çalıştırmalar sonucu elde edilen en iyi ve ortalama değerler incelendiğinde, SHAMODE’un, NSGA-II’ye kıyasla daha yüksek HV ve daha düşük GD ve IGD değerleri ürettiği görülmüştür. Ayrıca, SHAMODE daha düşük STE değeri ile daha dengeli bir çözüm dağılımı sağlamıştır. Bu sonuçlar, SHAMODE’un karmaşık yapısal optimizasyon problemleri için etkili ve sağlam bir yöntem olduğunu ortaya koymaktadır.

Kaynakça

  • K. Deb, A. Pratap, S. Agarwal, and T. Meyarivan, “A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II,” IEEE Trans. Evol. Comput., vol. 6, no. 2, 2002, doi: 10.1109/4235.996017.
  • F. Zhao, W. Lei, W. Ma, Y. Liu, and C. Zhang, “An improved SPEA2 algorithm with adaptive selection of evolutionary operators scheme for multiobjective optimization problems,” Mathematical Problems in Engineering, vol. 2016. 2016. doi: 10.1155/2016/8010346.
  • S. Rostami and F. Neri, “Covariance matrix adaptation pareto archived evolution strategy with hypervolume-sorted adaptive grid algorithm,” Integr. Comput. Aided. Eng., vol. 23, no. 4, 2016, doi: 10.3233/ICA-160529.
  • S. Mirjalili, “Dragonfly algorithm: a new meta-heuristic optimization technique for solving single-objective, discrete, and multi-objective problems,” Neural Comput. Appl., vol. 27, no. 4, 2016, doi: 10.1007/s00521-015-1920-1.
  • S. Z. Mirjalili, S. Mirjalili, S. Saremi, H. Faris, and I. Aljarah, “Grasshopper optimization algorithm for multi-objective optimization problems,” Appl. Intell., vol. 48, no. 4, 2018, doi: 10.1007/s10489-017-1019-8.
  • S. Mirjalili, A. H. Gandomi, S. Z. Mirjalili, S. Saremi, H. Faris, and S. M. Mirjalili, “Salp Swarm Algorithm: A bio-inspired optimizer for engineering design problems,” Adv. Eng. Softw., vol. 114, 2017, doi: 10.1016/j.advengsoft.2017.07.002.
  • T. Aittokoski and K. Miettinen, “Efficient evolutionary approach to approximate the Pareto-optimal set in multiobjective optimization, UPS-EMOA,” in Optimization Methods and Software, 2010, vol. 25, no. 6. doi: 10.1080/10556780903548265.
  • S. Mirjalili, P. Jangir, S. Z. Mirjalili, S. Saremi, and I. N. Trivedi, “Optimization of problems with multiple objectives using the multi-verse optimization algorithm,” Knowledge-Based Syst., vol. 134, 2017, doi: 10.1016/j.knosys.2017.07.018.
  • N. Panagant, S. Bureerat, and K. Tai, “A novel self-adaptive hybrid multi-objective meta-heuristic for reliability design of trusses with simultaneous topology, shape and sizing optimisation design variables,” Struct. Multidiscip. Optim., vol. 60, no. 5, 2019, doi: 10.1007/s00158-019-02302-x.
  • K. Wansasueb, N. Pholdee, N. Panagant, and S. Bureerat, “Multiobjective meta-heuristic with iterative parameter distribution estimation for aeroelastic design of an aircraft wing,” Eng. Comput., vol. 38, no. 1, 2022, doi: 10.1007/s00366-020-01077-w.
  • N. Noilublao and S. Bureerat, “Simultaneous topology, shape and sizing optimisation of a three-dimensional slender truss tower using multiobjective evolutionary algorithms,” Comput. Struct., vol. 89, no. 23–24, 2011, doi: 10.1016/j.compstruc.2011.08.010.
  • A. Kaveh and K. Laknejadi, “A hybrid evolutionary graph-based multi-objective algorithm for layout optimization of truss structures,” Acta Mech., vol. 224, no. 2, 2013, doi: 10.1007/s00707-012-0754-5.
  • G. G. Tejani, N. Pholdee, S. Bureerat, and D. Prayogo, “Multiobjective adaptive symbiotic organisms search for truss optimization problems,” Knowledge-Based Syst., vol. 161, 2018, doi: 10.1016/j.knosys.2018.08.005.
  • V. Mokarram and M. R. Banan, “A new PSO-based algorithm for multi-objective optimization with continuous and discrete design variables,” Struct. Multidiscip. Optim., vol. 57, no. 2, 2018, doi: 10.1007/s00158-017-1764-7.
  • T. Techasen, K. Wansasueb, N. Panagant, N. Pholdee, and S. Bureerat, “Simultaneous topology, shape, and size optimization of trusses, taking account of uncertainties using multi-objective evolutionary algorithms,” Eng. Comput., vol. 35, no. 2, 2019, doi: 10.1007/s00366-018-0629-z.
  • D. E. C. Vargas, A. C. C. Lemonge, H. J. C. Barbosa, and H. S. Bernardino, “Differential evolution with the adaptive penalty method for structural multi-objective optimization,” Optim. Eng., vol. 20, no. 1, 2019, doi: 10.1007/s11081-018-9395-4.
  • A. Kaveh and V. R. Mahdavi, “Multi-objective colliding bodies optimization algorithm for design of trusses,” J. Comput. Des. Eng., vol. 6, no. 1, 2019, doi: 10.1016/j.jcde.2018.04.001.
  • N. Panagant, N. Pholdee, S. Bureerat, A. R. Yildiz, and S. Mirjalili, “A Comparative Study of Recent Multi-objective Metaheuristics for Solving Constrained Truss Optimisation Problems,” Arch. Comput. Methods Eng., vol. 28, no. 5, 2021, doi: 10.1007/s11831-021-09531-8.
  • J. P. G. Carvalho, É. C. R. Carvalho, D. E. C. Vargas, P. H. Hallak, B. S. L. P. Lima, and A. C. C. Lemonge, “Multi-objective optimum design of truss structures using differential evolution algorithms,” Comput. Struct., vol. 252, 2021, doi: 10.1016/j.compstruc.2021.106544.
  • A. C. C. Lemonge, J. P. G. Carvalho, P. H. Hallak, and D. E. C. Vargas, “Multi-objective truss structural optimization considering natural frequencies of vibration and global stability,” Expert Syst. Appl., vol. 165, 2021, doi: 10.1016/j.eswa.2020.113777.
  • H. F. Eid, L. Garcia-Hernandez, and A. Abraham, “Spiral water cycle algorithm for solving multi-objective optimization and truss optimization problems,” Eng. Comput., vol. 38, 2022, doi: 10.1007/s00366-020-01237-y.
  • S. Kumar et al., “A two-archive multi-objective multi-verse optimizer for truss design,” Knowledge-Based Syst., vol. 270, 2023, doi: 10.1016/j.knosys.2023.110529.
  • ISCSO-2024,” International Student competition in Structural optimization.
  • J. M. P. Vieira, J. P. G. Carvalho, D. E. C. Vargas, É. C. R. Carvalho, P. H. Hallak, and A. C. C. Lemonge, “Many-Objective Truss Structural Optimization Considering Dynamic and Stability Behaviors,” Dynamics, vol. 5, no. 1, p. 3, 2025.
  • R. Tanabe and A. Fukunaga, “Success-history based parameter adaptation for Differential Evolution,” in 2013 IEEE Congress on Evolutionary Computation, CEC 2013, 2013. doi: 10.1109/CEC.2013.6557555.
  • R. Tanabe and A. S. Fukunaga, “Improving the search performance of SHADE using linear population size reduction,” in Proceedings of the 2014 IEEE Congress on Evolutionary Computation, CEC 2014, 2014. doi: 10.1109/CEC.2014.6900380

Multi-Objective Optimization of Truss Structures Using NSGA-II and SHAMODE Algorithms

Yıl 2025, Cilt: 41 Sayı: 2, 432 - 446, 30.08.2025

Öz

This study investigates the performance of Success-History Adaptive Multi-Objective Differential Evolution (SHAMODE) and Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II), methods in solving a large-scale, multi-objective truss optimization problem. The objective is to minimize the structural weight while maximizing displacement performance, subject to stress and displacement constraints. Four widely used performance metrics including Hypervolume, Generational Distance (GD), Inverted Generational Distance (IGD), and Spacing-to-Extent (STE) are employed to evaluate the quality and distribution of the Pareto fronts obtained. Results from independent runs show that SHAMODE consistently produces superior Pareto fronts, as evidenced by higher HV values and significantly lower GD and IGD scores compared to NSGA-II. Furthermore, SHAMODE achieves a more uniform distribution of solutions, indicated by its lower STE values. These findings demonstrate SHAMODE's effectiveness and robustness in handling complex structural optimization problems

Kaynakça

  • K. Deb, A. Pratap, S. Agarwal, and T. Meyarivan, “A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II,” IEEE Trans. Evol. Comput., vol. 6, no. 2, 2002, doi: 10.1109/4235.996017.
  • F. Zhao, W. Lei, W. Ma, Y. Liu, and C. Zhang, “An improved SPEA2 algorithm with adaptive selection of evolutionary operators scheme for multiobjective optimization problems,” Mathematical Problems in Engineering, vol. 2016. 2016. doi: 10.1155/2016/8010346.
  • S. Rostami and F. Neri, “Covariance matrix adaptation pareto archived evolution strategy with hypervolume-sorted adaptive grid algorithm,” Integr. Comput. Aided. Eng., vol. 23, no. 4, 2016, doi: 10.3233/ICA-160529.
  • S. Mirjalili, “Dragonfly algorithm: a new meta-heuristic optimization technique for solving single-objective, discrete, and multi-objective problems,” Neural Comput. Appl., vol. 27, no. 4, 2016, doi: 10.1007/s00521-015-1920-1.
  • S. Z. Mirjalili, S. Mirjalili, S. Saremi, H. Faris, and I. Aljarah, “Grasshopper optimization algorithm for multi-objective optimization problems,” Appl. Intell., vol. 48, no. 4, 2018, doi: 10.1007/s10489-017-1019-8.
  • S. Mirjalili, A. H. Gandomi, S. Z. Mirjalili, S. Saremi, H. Faris, and S. M. Mirjalili, “Salp Swarm Algorithm: A bio-inspired optimizer for engineering design problems,” Adv. Eng. Softw., vol. 114, 2017, doi: 10.1016/j.advengsoft.2017.07.002.
  • T. Aittokoski and K. Miettinen, “Efficient evolutionary approach to approximate the Pareto-optimal set in multiobjective optimization, UPS-EMOA,” in Optimization Methods and Software, 2010, vol. 25, no. 6. doi: 10.1080/10556780903548265.
  • S. Mirjalili, P. Jangir, S. Z. Mirjalili, S. Saremi, and I. N. Trivedi, “Optimization of problems with multiple objectives using the multi-verse optimization algorithm,” Knowledge-Based Syst., vol. 134, 2017, doi: 10.1016/j.knosys.2017.07.018.
  • N. Panagant, S. Bureerat, and K. Tai, “A novel self-adaptive hybrid multi-objective meta-heuristic for reliability design of trusses with simultaneous topology, shape and sizing optimisation design variables,” Struct. Multidiscip. Optim., vol. 60, no. 5, 2019, doi: 10.1007/s00158-019-02302-x.
  • K. Wansasueb, N. Pholdee, N. Panagant, and S. Bureerat, “Multiobjective meta-heuristic with iterative parameter distribution estimation for aeroelastic design of an aircraft wing,” Eng. Comput., vol. 38, no. 1, 2022, doi: 10.1007/s00366-020-01077-w.
  • N. Noilublao and S. Bureerat, “Simultaneous topology, shape and sizing optimisation of a three-dimensional slender truss tower using multiobjective evolutionary algorithms,” Comput. Struct., vol. 89, no. 23–24, 2011, doi: 10.1016/j.compstruc.2011.08.010.
  • A. Kaveh and K. Laknejadi, “A hybrid evolutionary graph-based multi-objective algorithm for layout optimization of truss structures,” Acta Mech., vol. 224, no. 2, 2013, doi: 10.1007/s00707-012-0754-5.
  • G. G. Tejani, N. Pholdee, S. Bureerat, and D. Prayogo, “Multiobjective adaptive symbiotic organisms search for truss optimization problems,” Knowledge-Based Syst., vol. 161, 2018, doi: 10.1016/j.knosys.2018.08.005.
  • V. Mokarram and M. R. Banan, “A new PSO-based algorithm for multi-objective optimization with continuous and discrete design variables,” Struct. Multidiscip. Optim., vol. 57, no. 2, 2018, doi: 10.1007/s00158-017-1764-7.
  • T. Techasen, K. Wansasueb, N. Panagant, N. Pholdee, and S. Bureerat, “Simultaneous topology, shape, and size optimization of trusses, taking account of uncertainties using multi-objective evolutionary algorithms,” Eng. Comput., vol. 35, no. 2, 2019, doi: 10.1007/s00366-018-0629-z.
  • D. E. C. Vargas, A. C. C. Lemonge, H. J. C. Barbosa, and H. S. Bernardino, “Differential evolution with the adaptive penalty method for structural multi-objective optimization,” Optim. Eng., vol. 20, no. 1, 2019, doi: 10.1007/s11081-018-9395-4.
  • A. Kaveh and V. R. Mahdavi, “Multi-objective colliding bodies optimization algorithm for design of trusses,” J. Comput. Des. Eng., vol. 6, no. 1, 2019, doi: 10.1016/j.jcde.2018.04.001.
  • N. Panagant, N. Pholdee, S. Bureerat, A. R. Yildiz, and S. Mirjalili, “A Comparative Study of Recent Multi-objective Metaheuristics for Solving Constrained Truss Optimisation Problems,” Arch. Comput. Methods Eng., vol. 28, no. 5, 2021, doi: 10.1007/s11831-021-09531-8.
  • J. P. G. Carvalho, É. C. R. Carvalho, D. E. C. Vargas, P. H. Hallak, B. S. L. P. Lima, and A. C. C. Lemonge, “Multi-objective optimum design of truss structures using differential evolution algorithms,” Comput. Struct., vol. 252, 2021, doi: 10.1016/j.compstruc.2021.106544.
  • A. C. C. Lemonge, J. P. G. Carvalho, P. H. Hallak, and D. E. C. Vargas, “Multi-objective truss structural optimization considering natural frequencies of vibration and global stability,” Expert Syst. Appl., vol. 165, 2021, doi: 10.1016/j.eswa.2020.113777.
  • H. F. Eid, L. Garcia-Hernandez, and A. Abraham, “Spiral water cycle algorithm for solving multi-objective optimization and truss optimization problems,” Eng. Comput., vol. 38, 2022, doi: 10.1007/s00366-020-01237-y.
  • S. Kumar et al., “A two-archive multi-objective multi-verse optimizer for truss design,” Knowledge-Based Syst., vol. 270, 2023, doi: 10.1016/j.knosys.2023.110529.
  • ISCSO-2024,” International Student competition in Structural optimization.
  • J. M. P. Vieira, J. P. G. Carvalho, D. E. C. Vargas, É. C. R. Carvalho, P. H. Hallak, and A. C. C. Lemonge, “Many-Objective Truss Structural Optimization Considering Dynamic and Stability Behaviors,” Dynamics, vol. 5, no. 1, p. 3, 2025.
  • R. Tanabe and A. Fukunaga, “Success-history based parameter adaptation for Differential Evolution,” in 2013 IEEE Congress on Evolutionary Computation, CEC 2013, 2013. doi: 10.1109/CEC.2013.6557555.
  • R. Tanabe and A. S. Fukunaga, “Improving the search performance of SHADE using linear population size reduction,” in Proceedings of the 2014 IEEE Congress on Evolutionary Computation, CEC 2014, 2014. doi: 10.1109/CEC.2014.6900380
Toplam 26 adet kaynakça vardır.

Ayrıntılar

Birincil Dil İngilizce
Konular Çelik Yapılar, İnşaat Mühendisliğinde Sayısal Modelleme
Bölüm Makaleler
Yazarlar

İbrahim Behram Uğur

Yayımlanma Tarihi 30 Ağustos 2025
Gönderilme Tarihi 20 Nisan 2025
Kabul Tarihi 2 Haziran 2025
Yayımlandığı Sayı Yıl 2025 Cilt: 41 Sayı: 2

Kaynak Göster

APA Uğur, İ. B. (2025). Multi-Objective Optimization of Truss Structures Using NSGA-II and SHAMODE Algorithms. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, 41(2), 432-446.
AMA Uğur İB. Multi-Objective Optimization of Truss Structures Using NSGA-II and SHAMODE Algorithms. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi. Ağustos 2025;41(2):432-446.
Chicago Uğur, İbrahim Behram. “Multi-Objective Optimization of Truss Structures Using NSGA-II and SHAMODE Algorithms”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi 41, sy. 2 (Ağustos 2025): 432-46.
EndNote Uğur İB (01 Ağustos 2025) Multi-Objective Optimization of Truss Structures Using NSGA-II and SHAMODE Algorithms. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi 41 2 432–446.
IEEE İ. B. Uğur, “Multi-Objective Optimization of Truss Structures Using NSGA-II and SHAMODE Algorithms”, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, c. 41, sy. 2, ss. 432–446, 2025.
ISNAD Uğur, İbrahim Behram. “Multi-Objective Optimization of Truss Structures Using NSGA-II and SHAMODE Algorithms”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi 41/2 (Ağustos2025), 432-446.
JAMA Uğur İB. Multi-Objective Optimization of Truss Structures Using NSGA-II and SHAMODE Algorithms. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi. 2025;41:432–446.
MLA Uğur, İbrahim Behram. “Multi-Objective Optimization of Truss Structures Using NSGA-II and SHAMODE Algorithms”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, c. 41, sy. 2, 2025, ss. 432-46.
Vancouver Uğur İB. Multi-Objective Optimization of Truss Structures Using NSGA-II and SHAMODE Algorithms. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi. 2025;41(2):432-46.

✯ Etik kurul izni gerektiren, tüm bilim dallarında yapılan araştırmalar için etik kurul onayı alınmış olmalı, bu onay makalede belirtilmeli ve belgelendirilmelidir.
✯ Etik kurul izni gerektiren araştırmalarda, izinle ilgili bilgilere (kurul adı, tarih ve sayı no) yöntem bölümünde, ayrıca makalenin ilk/son sayfalarından birinde; olgu sunumlarında, bilgilendirilmiş gönüllü olur/onam formunun imzalatıldığına dair bilgiye makalede yer verilmelidir.
✯ Dergi web sayfasında, makalelerde Araştırma ve Yayın Etiğine uyulduğuna dair ifadeye yer verilmelidir.
✯ Dergi web sayfasında, hakem, yazar ve editör için ayrı başlıklar altında etik kurallarla ilgili bilgi verilmelidir.
✯ Dergide ve/veya web sayfasında, ulusal ve uluslararası standartlara atıf yaparak, dergide ve/veya web sayfasında etik ilkeler ayrı başlık altında belirtilmelidir. Örneğin; dergilere gönderilen bilimsel yazılarda, ICMJE (International Committee of Medical Journal Editors) tavsiyeleri ile COPE (Committee on Publication Ethics)’un Editör ve Yazarlar için Uluslararası Standartları dikkate alınmalıdır.
✯ Kullanılan fikir ve sanat eserleri için telif hakları düzenlemelerine riayet edilmesi gerekmektedir.