CN103226640A - 一种基于simp理论含树杈型支臂的大跨度弧形钢闸门设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于SIMP理论含树杈型支臂的大跨度弧形钢闸门设计方法。应用hyperworks软件，主要进行三大部分的设计：支臂、横向肋和纵向肋。然后将其与面板一起组装，形成整体结构。该方法能够克服传统规范设计的弊端，按照设计步骤，不依赖于经验，能够在满足实际工程需求的情况下，在结构初始设计阶段即得到结构的空间拓扑形状，设计结果布局合理，设计出来的新型闸门较传统设计材料用量少，造价低，结构更轻便，便于安装操作，最终达到优化目的。

Description

一种基于SIMP理论含树杈型支臂的大跨度弧形钢闸门设计方法

技术领域

本发明涉及一种水利工程中闸门的自主优化设计方法，更具体地说，涉及一种基于SIMP理论的含树杈型支臂的大跨度露顶式弧形水工钢闸门优化设计方法。 

背景技术

闸门是水工建筑物的重要组成部分之一，是用于关闭和开放泄（放）水通道的控制设施。它具有调节上下游水位，排除漂浮物、沉沙，放运船只等作用。 

目前，我国传统的弧形钢闸门设计，是按照《水利水电钢闸门设计规范》DL/T5013-95的规范和要求来进行。根据实际工程条件初选闸门结构，然后进行结构强度刚度稳定性的校验。少数会利用空间有限元法对闸门布局合理性进行校验，此种方法主要依靠传统的平面体系理论设计计算，缺少对闸门空间合理拓扑形式的优化。对于大多数工程来说，此种方法设计出的露顶式弧形钢闸门安全冗余度较高，结构相对较大，自重较大。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于SIMP理论含树杈型支臂的大跨度弧形钢闸门设计方法。在满足实际工程要求的情况下，充分节省材料、结构更轻便，达到优化目的。 

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 

一种基于SIMP理论含树杈型支臂的大跨度弧形钢闸门设计方法，包括以下步骤：

（a）  将设计前的闸门视为支臂、挡水面板及其支撑框架三个主要部件的组合结构；

（b） 根据连续体拓扑优化SIMP方法，考虑结构边界约束条件，获取支臂及支撑框架的拓扑形状；

（c）  利用获得的新拓扑形状构造一种含树杈型支臂的弧形钢闸门结构；

（d） 结合结构性能约束，利用尺寸优化方法确定结构各部件的具体尺寸；

（e）  对新闸门进行其他工况下的刚度、强度和稳定性等各方面的校核。

在上述优化设计方法中，所涉及到的建模，均采用优化软件hyperworks。 

在上述步骤（b)中所述的边界约束条件具体为弧形钢闸门实际荷载总和，位置以及一些部件的自由度约束。 

本发明的有益效果是：在满足实际工程需求的情况下，在结构初始设计阶段即得到结构的空间拓扑形状，比依赖经验的闸门形式选取更为接近其真实受力特征和传力途径，设计结果布局合理，设计出来的新型闸门较传统设计材料用量少，造价低，结构便于安装操作。 

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。 

图1为支臂横向初始设计域及其受力； 

图2为支臂横向拓扑结果及横向二次拓扑设计及非设计域；

图3是支臂修正后横向最终图形；

图4是整体结构横向支臂图形；

图5是支臂纵向初始设计域及其受力；

图6是支臂纵向拓扑优化结果；

图7是修正后支臂纵向最终形状；

图8为纵向肋初始设计域；

图9为纵向肋拓扑优化结果；

图10为纵向肋最终布局方案；

图11是横向肋初始设计域；

图12是横向肋拓扑优化结果；

图13是横向肋最终布局位置；

图14是三维整体结构。

具体实施方式

图1中，（1）为非设计域，厚度1000mm，不计入优化计算。（2）为支臂横向设计区域。水荷载p作用在非设计区域上； 

图2中，（3）为支臂横向拓扑优化结果，约束条件为体积剩余率15%，目标函数为结构柔度最小。对优化结果做二次拓扑，（1）为非设计域，（2）为二次拓扑设计区域，约束条件为体积剩余率50%，目标函数为结构柔度最小。

图3为最终横向支臂形状； 

图4为闸门整体横向支臂形状；

图5为支臂纵向设计，（1）为非设计域，厚度1000mm，（2）为支臂纵向设计区域，水荷载q作用在非设计域上；

图6为支臂纵向拓扑优化结果，约束条件为体积剩余率15%，目标函数为结构柔度最小。

图7为修正后支臂纵向最终形状； 

图8为闸门纵向肋设计，取图2中非设计域作为优化设计域，最外层面板（2）为优化非设计域，与支臂的连接部分用位移约束（1）代替。优化目标函数为结构柔度最小，约束条件为体积剩余率15%。图9为拓扑优化后结果。图10为纵肋最终布置方案。

在图11中，取图5中非优化域作为优化设计区域，面板厚度（2）为优化非设计域，和支臂的连接部分用位移约束（1）代替。优化目标为柔度最小，体积约束为15%。图12为拓扑优化结果，（1）为位移约束。图13为横肋最终布局方案。 

图14为整体装配好的三维结构，最后依据材料的抗压，抗拉，稳定性等属性，考虑结构屈曲，自振频率等约束，尽心尺寸优化，得出最终各部件的厚度。  

Claims (4)

1.一种基于SIMP理论含树杈型支臂的大跨度弧形钢闸门设计方法，其特征在于，包括步骤：

以实际工程作为输入条件；

通过软件创建主支臂的二维设计几何模型（扇形），扇形面的弧形半径即为工作弧门半径；

将几何模型进行修改，完善，划分网格；

通过试算确定扇形区域内设计域及非设计域的范围；非设计域的厚度由挡水面板的厚度和加强肋的厚度组成；

施加荷载及边界条件，得出主支臂横向及纵向拓扑形状，根据实际制造和工程约束，确定最终的主支臂形状方案；

确定纵向肋的优化区域，将挡水面板设定为非设计域，确定优化目标及约束条件进行拓扑优化，得到纵向肋的布局方案；

确定横向肋拓扑优化的初始设计域，为了降低计算量，将支臂所在非设计区域去掉，交界处代之以固定位移约束；将挡水面板设定为非设计域，确定优化目标及约束条件进行拓扑优化，得到横向肋的布局方案；

将支臂方案，纵向肋方案和横向肋方案组装成闸门三维整体结构；

对整体三维结构进行尺寸优化；

其他工况下的结构安全性校核，并按需要进行局部调整；完成最终设计方案。

2.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述建模和前处理软件为hyperworks软件下的子模块hypermesh。

3.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述拓扑优化方法应用软件hyperworks软件下的optistruct求解器。

4.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，步骤e)中所述的荷载及边界约束条件具体为结构总成实际实验时的荷载和一些部件的自由度。

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