弧形水工钢闸门拓扑优化研究

论文摘要

随着水利水电事业的迅速发展和工业生产水平的日益提高,水工钢闸门的规模越来越大,新型结构不断涌现。由于弧形闸门具有封闭的孔口面积大、闸墩高度小、过水条件较好、启闭迅速、埋件少等优点,因此国内外都将弧形钢闸门作为泄洪控制的主要门型。但是,弧形钢闸门在其应用历史中出现了不少事故。调查发现,各类闸门事故都是因支臂失稳引起的,而最终原因在于传统设计方法中存在的问题。目前,设计水工钢闸门主要还是采用传统的设计方法。而且按照传统设计方法设计出的结构整体应力分布不均、较保守、安全系数偏大,致使工程投资增加,造成不必要的浪费,因而有必要对闸门进行优化设计。我国自20世纪中期以来,从数学模型、优化方法以及工程应用的实用性等角度,对水工弧形钢闸门优化设计进行了比较深入的探讨和研究。至目前为止,利用结构拓扑优化理论优化设计水利工程结构的研究成果中尚无比较理想的报道。本文根据结构有限元分析和拓扑优化的相关理论,利用成熟的有限元软件HyperWorks的拓扑优化设计模块,将SIMP算法应用于寻找水工闸门结构全局最优解的优化设计中。本文对弧形钢闸门进行了系统的二维及三维拓扑优化,结合实例设计了新型弧形闸门,包括支臂、挡水面板及其支持框架三个主要部件,并进行了刚度、强度和稳定性等各方面的校核,对弧形钢闸门的拓扑优化设计给出了较为详尽并实用的解决方案。最优设计方案的分析结果表明,结构分析的相关指标都在设计允许范围内,结构优化计算的结果有效,达到了预期的设计目的。本文同时给出了双支臂表孔式和潜孔式弧形钢闸门的设计步骤。设计过程包括3步:首先通过优化分析给出了支臂的位置、拓扑、形状/尺寸以及挡水面板的支撑框架内主梁、次梁的布局方式;其次,通过上述确定的参数构造整体结构;再次,以强度、刚度、和稳定性同时作为约束,对满载条件下的闸门结构进行尺寸优化,确定结构中各种部件的最终设计尺寸。通过实例分析,在确保结构的强度、刚度和稳定性等性能指标具有一定安全裕度条件下,经优化后结构重量较传统设计减重约30%。结构自重的大大降低,不但能够节省材料、降低造价,而且使结构便于安装、操作。在满足规范的情况下,本文工作为钢闸门的优化设计提供了参考依据,可产生明显的经济效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据
• 1.2 选题的目的和意义
• 1.3 研究内容
• 1.4 研究方法及思路
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 研究思路
• 1.5 预期结果
• 第二章 结构拓扑优化理论
• 2.1 结构优化理论
• 2.1.1 结构优化的概念及其意义（目的）
• 2.1.2 结构优化的数学模型
• 2.1.3 结构优化算法的要求
• 2.1.4 结构优化的发展和研究现状
• 2.1.5 结构优化的分类
• 2.2 结构拓扑优化理论和方法
• 2.2.1 拓扑优化理论的提出和发展
• 2.2.2 结构拓扑优化的分析方法
• 2.2.3 拓扑优化设计的优化算法（设计变量更新方法）
• 2.2.4 常用的连续体拓扑优化方法
• 2.2.5 拓扑优化理论的应用现状
• 2.2.6 结构拓扑优化的设计流程
• 2.3 SIMP 方法与其实现
• 2.3.1 SIMP 方法的数学描述
• 2.3.2 SIMP 方法的优化迭代分析流程
• 2.3.3 SIMP 方法的实现及HyperWorks 软件介绍
• 第三章 弧形钢闸门及其设计理论
• 3.1 弧形钢闸门的发展概况
• 3.1.1 闸门的分类
• 3.1.2 弧形闸门的发展历史
• 3.1.3 弧形钢闸门的构造
• 3.1.4 弧形钢闸门的特点
• 3.2 弧形钢闸门的设计方法及其研究现状
• 3.2.1 弧形钢闸门的设计方法
• 3.2.2 弧形钢闸门优化设计的研究现状
• 3.2.3 弧形水工钢闸门研究中所存在的问题
• 第四章 表孔双支臂弧形钢闸门的拓扑优化设计
• 4.1 工程概况
• 4.2 本文设计步骤
• 4.3 设计过程
• 4.3.1 支臂的设计方案
• 4.3.2 纵向肋的布局方案
• 4.3.3 横向肋的布局方案
• 4.3.4 建立结构初始设计模型并尺寸优化
• 4.3.5 其他工况下的结构安全性校核
• 4.4 小结
• 第五章 潜孔双支臂弧形钢闸门的拓扑优化设计
• 5.1 工程概况
• 5.2 设计步骤
• 5.3 设计过程
• 5.3.1 支臂的设计方案
• 5.3.2 纵向肋的布局方案
• 5.3.3 横向肋的布局方案
• 5.3.4 建立结构初始设计模型并尺寸优化
• 5.3.5 其他工况下的结构安全性校核
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 存在的不足和展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简介