拓?fù)鋬?yōu)化在大型弧形鋼閘門優(yōu)化布置中的應(yīng)用-

1、【水利水電工程】拓?fù)鋬?yōu)化在大型弧形鋼閘門優(yōu)化布置中的應(yīng)用朱軍祚1,王正中1,方寒梅2,孫丹霞2,諶磊1(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊凌712100;2.中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西西安710000摘要:采用拓?fù)鋬?yōu)化理論進(jìn)行水工鋼閘門的布置優(yōu)化,得出了大型鋼閘門的合理結(jié)構(gòu)形式:橫向框架懸臂段長度為橫向主梁長度的0.22倍;縱向框架懸臂段長度為縱向主梁長度的0.39倍。為水工鋼閘門的設(shè)計(jì)提供了一種理性且實(shí)用的優(yōu)化布置方法。關(guān)鍵詞:拓?fù)鋬?yōu)化;結(jié)構(gòu)布置;弧形鋼閘門中圖分類號:T V663文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:10001379(2007060063021鋼閘門優(yōu)化布置研究

2、現(xiàn)狀水頭較高的水電站若采用傳統(tǒng)的雙支臂閘門,則整體剛度較差,國內(nèi)推薦采用三支臂鋼閘門。許多學(xué)者對三支臂弧形鋼閘門的優(yōu)化布置方案進(jìn)行了研究。劉禮華等1以序列二次規(guī)劃法為基礎(chǔ),研究了從閘門規(guī)劃到構(gòu)件優(yōu)化的過程。王正中等2,3從主縱梁在支承處橫截面的轉(zhuǎn)角為0°出發(fā),探求了表孔三支臂弧門的合理布置;通過對弧門受力特性進(jìn)行分析,提出了大型弧門應(yīng)采用縱向主梁和橫向主梁組合的“井”字結(jié)構(gòu)。但這些研究都是憑借經(jīng)驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)布置后,又進(jìn)行的尺寸優(yōu)化,不能準(zhǔn)確地反映閘門結(jié)構(gòu)的受力特性。拓?fù)鋬?yōu)化是有限元分析方法與優(yōu)化方法的結(jié)合,能解決離散結(jié)構(gòu)體和連續(xù)結(jié)構(gòu)體問題。文獻(xiàn)4指出弧形閘門的傳力方式為由面板到支臂逐級

3、傳遞,因此可根據(jù)此機(jī)理結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化的思想,設(shè)計(jì)出合理的鋼閘門布置形式。筆者提出的弧形鋼閘門優(yōu)化布置形式,不受特定門型約束,只考慮孔洞大小、外荷載與約束行為,優(yōu)化效果較好。2結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化過程2.1拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)描述為使結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化具有可操作性,Dorn等5通過定義基結(jié)構(gòu)來描述所有可能的拓?fù)湫问?。拓?fù)鋬?yōu)化中涉及單元的刪除、保留與恢復(fù),因此描述這一設(shè)計(jì)變量只能是離散整型變量0或1(0代表單元被刪除,1代表單元保留或恢復(fù)。對連續(xù)體結(jié)構(gòu)而言,目標(biāo)函數(shù)可以是結(jié)構(gòu)最大剛度(最小柔度,也可以是最輕質(zhì)量、最大頻率等,本研究以結(jié)構(gòu)整體的最大剛度為目標(biāo)函數(shù)。計(jì)算中,對一系列微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的向量賦予“密度”(指拓?fù)鋬?yōu)

4、化的變量,它不是實(shí)際意義上的密度,而是一種“偽密度”,取值在01范圍內(nèi)。對于拓?fù)鋬?yōu)化過程,性態(tài)約束函數(shù)是必需的,例如必須保證最終優(yōu)化出的結(jié)構(gòu)區(qū)域包含于初始設(shè)計(jì)域內(nèi),且整體結(jié)構(gòu)需要滿足平衡方程的要求等。拓?fù)鋬?yōu)化的求解方法有優(yōu)化準(zhǔn)則法(OC和序列凸規(guī)劃法(SCP6。2.2拓?fù)鋬?yōu)化方法的ANSYS實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是在滿足結(jié)構(gòu)的約束情況下,減少結(jié)構(gòu)的變形能,提高整體結(jié)構(gòu)的剛度7。ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化方法采用均勻化方法。在結(jié)構(gòu)承受荷載的過程中,有些單元的承載作用大,有些單元?jiǎng)t作用小,尋找這些承載作用較大的單元的集合體,也就是尋找力傳遞的合理途徑。但是實(shí)際結(jié)構(gòu)中,力傳遞途徑并不明顯,需要通過逐步弱化作

5、用小的單元區(qū)域,強(qiáng)化作用相對大的單元區(qū)域,使結(jié)構(gòu)單元作用“兩極分化”,來凸現(xiàn)傳遞途徑。保留下來的作用大的單元集合,就是優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2.3拓?fù)鋬?yōu)化過程描述拓?fù)鋬?yōu)化需在弧形鋼閘門的基本幾何尺寸(求解域、邊界條件(支撐條件和主要外荷載確定的情況下應(yīng)用。首先獲得結(jié)構(gòu)的最初拓?fù)湫问?然后進(jìn)行相關(guān)的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體步驟如下:確定弧形鋼閘門優(yōu)化求解域。在本研究中,將弧形鋼閘門分為橫向框架和縱向框架兩個(gè)求解域,并分別進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。橫向框架在矩形求解域內(nèi)優(yōu)化;縱向框架在扇形求解域內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化。輸入外荷載及約束。在弧形鋼閘門橫向框架計(jì)算中4,主要荷載為均布荷載,約束為支鉸處位移約束;在縱向框架內(nèi),荷載分布主要

6、為水壓力荷載和重力荷載,考慮到在靜水壓力下重力對閘門的影響非常小,因此只考慮靜水壓力作用,施加支鉸處的位移約束。確定優(yōu)化量(一定范圍內(nèi)的隨機(jī)變量,指定非優(yōu)化區(qū)域。材料節(jié)省量一般以百分比形式輸入。優(yōu)化迭代運(yùn)算,得出優(yōu)化結(jié)果。迭代過程中合理確定迭代次數(shù)和適當(dāng)?shù)氖諗織l件。滿足收斂條件時(shí),整個(gè)求解過程結(jié)束,進(jìn)行成果評價(jià);不滿足收斂條件時(shí)需要判斷是否滿足約束條件,若滿足,則停止計(jì)算。將優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際的弧形鋼收稿日期:20061208基金項(xiàng)目:陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(0097C19。作者簡介:朱軍祚(1981,男,甘肅嘉峪關(guān)人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樗や撻l門優(yōu)化及數(shù)值分析。第29卷第6期人民黃河

7、Vol.29,No.62007年6月YE LLOWR I V ERJun.,2007閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析。優(yōu)化結(jié)果只是一個(gè)幾何分布外形,需要對其數(shù)據(jù)和圖形進(jìn)行分析后,結(jié)合實(shí)際情況作進(jìn)一步修改,以形成準(zhǔn)確、合理、便于制造和美觀的幾何造型。實(shí)際閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不一定要求結(jié)構(gòu)達(dá)到最理想的受力狀態(tài),而是在受力基本合理的基礎(chǔ)上,兼顧造價(jià)和施工等實(shí)際情況,再具體進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置。3應(yīng)用實(shí)例某水電站總裝機(jī)容量270MW,其工作閘門為三支臂弧形閘門,共5孔,孔口尺寸為13m×24.3m(寬×高, 面板弧面半徑為32m,擋水高度為23.8m。該弧形閘門尺寸巨大,支鉸中心高程較高,弧面曲率半徑較大,

8、且需要在淹沒出流條件下進(jìn)行全開、全關(guān)及局部開啟運(yùn)行。采用ANSYS程序中的拓?fù)鋬?yōu)化功能,選取鋼材料常數(shù),采用p lane82單元,在整個(gè)優(yōu)化域內(nèi),單元邊長設(shè)定為0.5m。3.1拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果在簡單工況(靜水壓力作用下,分別進(jìn)行了橫向框架和縱向框架兩個(gè)方向上的拓?fù)鋬?yōu)化。(1橫向框架。選取13m×32m的矩形區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化率為80%,優(yōu)化結(jié)果見圖1?？梢?橫向框架經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果與經(jīng)典的弧形閘門橫向框架基本吻合,只是在迎水側(cè)支臂有分叉,這是優(yōu)化過程中數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象引起的。而支臂部分都有不同程度的彎曲,說明支鉸應(yīng)少許靠近軸線為宜。實(shí)際設(shè)計(jì)中也體現(xiàn)出了這一點(diǎn),由文獻(xiàn)8看,這是合理的,總體上

9、支臂并沒有過大的彎曲應(yīng)力。若支臂的迎水側(cè)在分叉規(guī)定的區(qū)域內(nèi),則根據(jù)圖1所示的單元個(gè)數(shù)可以確定其支點(diǎn)中心。橫向框架內(nèi),懸臂段長度在0.22L(L為橫向主梁長度左右。圖1橫向框架優(yōu)化結(jié)果(2縱向框架?？v向框架內(nèi)的優(yōu)化比橫向框架復(fù)雜得多。文獻(xiàn)8中關(guān)于三支臂弧形鋼閘門的布置計(jì)算是將原拱形剛架簡化為連續(xù)梁后進(jìn)行的,這樣的簡化會引起誤差。在縱向框架拓?fù)鋬?yōu)化過程中,根據(jù)鋼閘門形式和受力特性,選取扇形區(qū)域?yàn)閮?yōu)化區(qū)域。荷載為靜水壓力,在支鉸處(扇形圓心施加x向和y向的位移約束,同樣按照80%的優(yōu)化率進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)定若計(jì)算不收斂,則判斷是否滿足平衡條件。經(jīng)優(yōu)化迭代后,基本形狀見圖2。若不考慮優(yōu)化結(jié)果中上支臂的彎曲,

10、可以確定,優(yōu)化后上懸臂段長度在0.39S(S為縱向主梁長度左右。3.2討論與評價(jià)按照文獻(xiàn)8的相關(guān)資料,對比優(yōu)化、理論與實(shí)際布置參數(shù)(見表1可以看出,拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果與理論結(jié)果非常接近。圖2豎向框架優(yōu)化結(jié)果表1優(yōu)化、理論與實(shí)際布置參數(shù)對比項(xiàng)目優(yōu)化布置參數(shù)理論布置參數(shù)文獻(xiàn)9文獻(xiàn)2實(shí)際布置參數(shù)橫向框架0.22L0.2L0.224L0.12L縱向框架0.39S0.389S0.395S在實(shí)際布置中,橫向框架懸臂段長度采用0.12L,實(shí)際結(jié)構(gòu)在主梁后翼緣有效應(yīng)力較大,在局部不能滿足規(guī)范要求,這說明在設(shè)計(jì)中,主梁懸臂長度相對于整個(gè)梁來說較小,致使主梁跨中彎曲應(yīng)力較大?？梢?拓?fù)鋬?yōu)化出的結(jié)構(gòu)布置具有很高的精度,可

11、根據(jù)此優(yōu)化結(jié)果將支臂重新調(diào)整,以使荷載更加均勻地被主梁承擔(dān)。在縱向框架內(nèi),優(yōu)化結(jié)果符合力學(xué)理論和實(shí)際情況,其懸臂長度結(jié)果與理論分析和實(shí)際布置結(jié)果接近,說明閘門縱向框架設(shè)計(jì)是合理的?？梢?拓?fù)鋬?yōu)化不僅能評價(jià)已設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性,而且在未設(shè)計(jì)時(shí)能指導(dǎo)設(shè)計(jì)者進(jìn)行結(jié)構(gòu)合理布局,大大節(jié)省結(jié)構(gòu)試算的時(shí)間,并減少因?qū)π滦烷l門缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)而帶來較大偏差。參考文獻(xiàn):1劉禮華,曾又林,段克讓.表孔三支腿弧形閘門的優(yōu)化分析和設(shè)計(jì)J.水利學(xué)報(bào),1996(7.2王正中,李宗利,婁宗科.三支臂表孔弧門合理結(jié)構(gòu)布置J.西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995(6.3王正中.關(guān)于大中型弧形鋼閘門合理結(jié)構(gòu)布置及計(jì)算圖示的探討J.人民長江,1995(1.4安徽省水利局勘測設(shè)計(jì)院.水工鋼閘門設(shè)計(jì)M.北京:水利出版社,1980.5Dorn W S,Gomory R E,Greenberg H J.Aut omatic designof op ti m al structuresJ.J.de Mechnique,1964,3(1. 6羅震,陳立平,黃玉盈,等.連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化