CN103577641A - 基于多相材料布局优化的坝料分区方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多相材料布局优化的坝料分区方法。是一种通过设计多相材料布局进行过程优化布置的新方法。以实际工程作为输入条件；根据邓肯E-B模型确定材料初始弹性模量；确定垫层、主次堆石材料的弹性模量；然后通过有限元软件获取结果数据，并基于拓扑优化原理进行设计变量更新。当所有材料均达到各自的体积约束临界值时得到布局方案。与原设计相比，优化后的面板在水压力作用下变形小，分布均匀，有利于阻止面板发生断裂。

Description

基于多相材料布局优化的坝料分区方法
技术领域
本发明涉及一种坝料分区的设计方法，更具体地说，涉及一种基于多相材料拓扑优化理论的面板堆石坝的坝料分区设计方法。 
背景技术
水坝是水利建筑物的重要组成部分，是重要的挡水建筑物。其中，面板堆石坝因具有经济、可靠、广泛适应性和环保等显著优点而受到坝工界的欢迎。 
长期以来，面板因坝体变形不均匀而产生裂缝极为常见。而控制坝体变形可从坝高、河谷形状、坝料物理特性及坝料分区、施工程序等角度入手。其中河谷形状和坝料物理特性为客观量，而坝高、料分区和施工程序为主观可变量。因此，在坝高给定的情况下，坝料分区和施工程序成为影响坝体变形的主要因素。传统的坝料分区设计方法仅对基于经验的原设计做适当的调整，而原设计存在的缺陷无法在优化后得到有效解决，结构的性能并不能得到明显改善。因此，在尺寸优化前进行拓扑优化和形状优化，有利于对设计从源头得到更好的优化。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于拓扑优化理论的面板堆石坝的坝料分区设计方法。在满足工程要求的情况下，能够得到最优材料布局方案，使结构在现有工况下表现出最大刚度，保证开挖料得到充分利用。 
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 
基于多相材料拓扑优化理论的面板堆石坝的坝料分区设计方法，包括以下步骤： 
a) 建立结构的有限元分析模型，初始化算法各参数，令；
b)  分析材料集合为{Me,j}（j属于m-1,m,…,Nm）的结构，获得各单元的应变能密度；
c)  升序排列单元的应变能密度，将序列前端一定数量的低应变能密度单元的材料由Me,m改变为Me,m-1，并累计含Me,m材料单元的体积；
d)  若含Me,m材料单元的体积没有达到其约束临界值，则返回到第 b)步重分析，否则到第 e)步；
e)  若所有材料均达到各自的体积约束临界值，则到第 f)步；否则，令m=m-1，返回到第 b)步重分析；
f)  停止迭代；
在上述优化设计方法中，所涉及到的建模，优化软件均为ANSYS软件。 
在上述步骤（f)中为确保算法稳定，本方法迭代过程中每次仅更新不超过 5%的总单元数的材料号。 
本发明的有益效果是，可以在满足实际工程条件的情况下，优化后的面板在水压力作用下变形小，分布均匀，有利于阻止面板发生断裂。从而证明该方法可为此类工程实践提供具有理论基础的参考设计。 
 附图说明
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。 
图1 ：优化分区前的坝体剖面有限元模型。进行多相材料分区前的坝剖面有限元网格划分并作为优化设计的设计域。 
图 2 ：原始坝料分区方法设计的布局方案。 
图 3 ：使用拓扑优化方法优化后得到的多相材料布局方案。基于拓扑优化方法对设计域优化后得到的多相材料布局，对比图2，图3可以看出，新型设计方法得到的设计方案与原始设计方法有明显区别。材料分布更具规律及合理性。 

Claims (6)

1.一种基于多相材料拓扑优化理论的面板堆石坝的坝料分区设计方法，其特征在于，包括步骤：
以实际工程作为输入条件；
根据邓肯E-B模型确定材料初始弹性模量；
确定垫层、主次堆石材料的弹性模量；
a) 建立结构的有限元分析模型，初始化算法各参数，令；
b)  分析材料集合为{Me,j}（j∈m-1,m,…,Nm）的结构，获得各单元的应变能密度；
c)  升序排列单元的应变能密度，将序列前端一定数量的低应变能密度单元的材料由Me,m改变为Me,m-1，并累计含Me,m材料单元的体积；
d)  若含Me,m材料单元的体积没有达到其约束临界值，则返回到第 b)步重分析，否则到第 e)步；
e)  若所有材料均达到各自的体积约束临界值，则到第 f)步；否则，令m=m-1，返回到第 b)步重分析；
f)  停止迭代；
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，所述建模和前后处理、求解软件为ANSYS。
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应变能密度排序算法通过 APDL 编写实现（二次开发）。
4.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，步骤1.b)中的所述材料初始弹性模量的确定方法为Ei=K*Pa(σ3/pa)n。
5.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，步骤1.d)中所述的荷载及边界约束条件具体为结构总体实际使用时的荷载和自由度。
6.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，步骤1.f)中所述的材料更新方法为应变能密度排序法。
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