拓扑优化理论在二维平面闸门设计中的应用.pdfVIP

第４１卷 第１２期 人　民　长　江 Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．１２ ２０１０年 ６月　 　 Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　 　Ｊｕｎｅ， ２０１０ 　　文章编号：１００１－４１７９（２０１０）１２－００２４－０４ 拓扑优化理论在二维平面闸门设计中的应用 肖 卫 华，张 文 萍 （湖南农业大学 工学院，湖南，长沙，４１０１２８） 摘要：拓扑优化又称为结构布局优化，其主要目的是致力于寻求优化结构的某些性能或减轻结构重量的途径。 随着形状优化和尺寸优化设计的不断成熟与完善，拓扑优化逐渐成为结构优化设计的研究热点与难点问题。 利用连续体结构拓扑优化理论，对结构复杂的水工平面闸门进行研究，并通过对优化结果进行拟合，进行结构 变形分析与应力校核。结果表明结构应力分布均匀，能够更好地发挥各部位材料的最佳性能，验证了拓扑优 化理论在水工闸门中应用的可行性与优越性。 关　键　词：优化设计；结构拓扑优化；连续体结构；水工平面闸门 中图法分类号：ＴＶ６６３　　　文献标志码：Ａ 　　结构拓扑优化的研究历史是从桁架结构开始的， 给定拓扑的基础上进行形状优化设计；详细设计主要 最早可追溯到 １８５４年 Ｍａｘｗｅｌｌ首次进行的应力约束 是进行截面尺寸等细部结构的优化设计。随着形状优 下桁架的基本拓扑分析。１９０４年 Ｍｉｃｈｅｌｌ用解析法得 化和尺寸优化设计的不断成熟与完善，拓扑优化逐渐 到质量最轻、体形最优的桁架应满足的条件，即 Ｍｉｃｈ 成为结构优化设计的研究热点与难点问题，同时也是 ［１］ ｅｌｌ准则，这是拓扑优化领域中的里程碑 ，但其只能 当今世上最具有挑战性的研究课题。拓扑优化技术在 用于单工况并依赖于选择适当的应变场，并不能应用 航空航天、汽车、船舶、桥梁、机械、微电子和新型材料 于工程实际。直到２０世纪８０年代初，程耿东和Ｏｌｈｏｆｆ 设计等领域得到了广泛应用，而在水工结构优化设计 在弹性板的最优厚度分布研究中首次将最优拓扑问题 中的应用还很少［６－８］。 转化为尺寸优化问题［２－４］；Ｂｅｎｄｓｏｅ和 Ｋｉｋｕｃｈｉ发表的 ２０世纪６０年代以前设计的闸门，大多是按平面 基于均匀化理论的结构拓扑优化设计，引入单胞微结 结构体系设计方法进行设计的，即按一般结构力学和 构，使结构的拓扑优化研究对象从离散体转入到连续 容许应力方法进行计算。 体，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局 在平面体系设计方法中，一般结构计算只限于在 ［５］ 面 ；之后的研究有新型优化准则类 ＣＯＣ算法、非线 主框架平面内进行，而平面外的内力或应力影响却未 性规划法、渐进结构优化法、ＩＣＭ方法、ＥＳＯ法、遗传 考虑，以至于计算结果在许多地方比实测值大２０％ ～ 算法，改进遗传算法等来求解结构的拓扑优化设计问 ４０％，而在一些关键部位又不够安全，因而按平面体系 题。 方法设计不能全面正确地反映闸门的空间受力情况； 一般而言，结构优化设计分为３个阶段：概念设计 另一方面，按平面体系方法对结构进行计算时，是将构 （ＣｏｎｃｅｐｔｕａｌＤｅｓｉｇｎ）、初步设计（ＰｒｅｌｉｍｉｎａｒｙＤｅｓｉｇｎ）和 件逐个独立进行计算的，忽略了各构件的整体工作协 详细设计（ＤｅｔａｉｌｅｄＤｅｓｉｇｎ）。概念设计是设计的第 １ 调性。总之，按平面体系方法对闸门进行设计，不能准 步，主要进行结构拓扑形式的优化设计；初步设计是在 确反映其各构件间的相互联系与变形协调关系以及非 收稿日期：２０１０－０２－２８；　 基金项目：国家自然科学基金“拓扑优化方法及其在高拱坝合理体型研究中的应用”（５０５７９０１） 作者简