弧形钢闸门拓扑优化与结构布置分析

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1、第一章绪论3或杆件内力作为设计变量，以结构重量为优化目标函数，以结构平衡方程、刚度条件、稳定性为约束条件建立优化数学模型。模型列式中一般都存在奇异最优解现象，多采用随机组合优化方法求解。如：Ringenz【91(1986)采用了分枝定界法；Grierson(1993)和许素强(1994)等【10】采用遗传算法；蔡文学(1994)【11】采用模拟退火算法分别求解了桁架拓扑优化问题：Duan【12】等采用基于最大嫡原理的优化算法；svanber【13】等采用了MMA方法；陈建军等【14】采用基于可靠性

2、的优化算法等等。对于连续变量拓扑优化模型，现有方法多以单元截面积，内力或位移等为拓扑设计变量，构造线性规划或非线性规划并求解。连续体结构的拓扑优化始于1988年BeIldsoe和鼬kuchi【15】发表了基于均匀化理论的连续结构体结构拓扑优化方法。此后对连续体结构拓扑优化研究的人日益增多，取得了不少成果。Tellek和Hagiwa刑【l6J研究了薄壳结构的拓扑优化；程耿东和张东旭【l7J研究了受应力约束的平面弹性体的拓扑优化；周克民和胡云引18。9’20】结合有限单元法分析了连续体结构的拓扑优化，

3、还将之与拓扑分析结合起来；隋允康等【2l】提出了基于独立、连续、映像变量为一体的ICM方法，建立了离散体和连续体拓扑优化的统一模型；隋允康和于新【22’23】对基于有无复合体模型的应力约束条件下的平面连续体拓扑优化做了研究，取得了一系列的研究成果；Mlejnekf24’2纠建立了变密度法模型；1999年BellSoe和Si舯und【26】对该方法物理意义的存在性作了证明；袁振等【27、28】引用了杂交元以及非协调元和变密度法来进行连续体的拓扑优化；罗鹰[29】等提出三角网格进化法，该方法在优化过程

4、中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。除了上述以外，人们还提出了其他一些方法和策略。如：Escehau一如J提出“泡泡法”，这是将连续体形状优化中的边界变分法进行推广而得来的一种方法：Jog和Habe【3”2】提出“等周长约束法”；Xie和Steven【33。4】基于进化策略，在优化过程逐渐移去低应力结构材料，提出了渐进结构优化法(简称ESo法)；Querin(35、36】等提出了删除低应力单元和增加高应力单元并行的双向渐进方法(BESo法)；Maute和R锄m137J的自适应网格法；这些方法

5、和思想都是非常活跃的，在连续体拓扑优化的研究中具有广阔的发展前景。1．3弧形钢闸门研究现状及存在问题闸门是水工建筑物的重要组成部分之一。它的作用是封闭水工建筑物的孔口，并能够按需要全部或局部开肩这些孔口，可靠地调节上下游水位，以获得防洪、灌溉、引水发电、通航、过木以及排除泥沙、冰块以及其它飘浮物等效益。近年来，随着水利水电事业的发展，在水利工程中弧形钢闸门应用越来越广泛。与其它型式的闸门相比，弧形闸门有其独特的优点p剐：(1)可封闭相当大面积的孔口；(2)所需闸墩高度和厚度较小；4弧形钢闸门拓扑优

6、化与结构布置研究(3)没有影响水流流态的门槽，水流条件较好：(4)所需启闭力较小；(5)埋设件数量较少等。因此弧形闸门被普遍认为是水闸中最简单、最经济，应用较为广泛的一种门型，特别是广泛应用于泄水建筑物的工作门。1．3．1弧形钢闸门设计理论的研究现状钢闸门的结构计算按照《水利水电钢闸门设计规范》DL／T5013—95的规范和要求来进行计算，其计算方法有两种㈣：平面体系方法和空间体系方法。20世纪60年代以前设计的闸门，大多是按平面结构体系设计方法进行设计的。即按一般结构力学和容许应力方法进行计算的

7、。弧形闸门计算时弧形面板和纵向梁系忽略其曲率影响，近似按平板和直梁计算；面板、水平次梁(次横梁)、竖直次梁等构件的计算方法均和平面闸门相应构件的计算方法相同；面板直接承受水压力产生局部弯应力，局部弯应力按四边固定(或三边固定一边简支)的弹性薄板理论进行计算。面板还作为梁系的一部分参与主(次)梁的整体弯曲工作，将面板的局部弯曲应力与主(次)梁的整体弯曲应力按照第四强度理论进行叠加；水平次梁的荷载分配按相邻间距的和之半法进行，再根据构造按连续梁或简支梁进行计算；竖直次梁承受的荷载有水平次粱传来的集中荷

8、载和面板直接传来的三角形分布荷载，一般竖直次梁可按悬臂梁或简支梁进行计算。梁系的计算均要考虑面板兼作梁系翼缘的有效宽度，主梁和支臂相连构成刚性承重结构一主框架，主梁和支臂的结构计算按这个主框架进行计算，此时主梁同时承受弯矩和框架水平推力产生的轴向压力，它是一个偏心受压构件，需验算主梁跨中和支座两个断面的强度和腹板的局部稳定性，不需验算整体稳定性，支臂为一偏心受压柱，除应满足强度要求之外，支臂还需验算弯矩作用平面内和弯矩作用平面外的稳定。总之，整个闸门的结构计算，按实际可能产生的最不