大型水闸三角闸门的优化设计-水利水运工程学报.PDFVIP

第2期 水 利 水 运 工 程 学 报 No.2 摇 2013年4月 HYDRO鄄SCIENCE AND ENGINEERING Apr. 2013 大型水闸三角闸门的优化设计 董顾春, 朱召泉 (河海大学 土木工程与交通学院, 江苏 南京摇 210098) 摘要:三角闸门以往的优化设计往往是将闸门简化成为平面体系,或者对其各个构件分别进行优化.前者忽略 了三角闸门作为一个空间体系各构件之间的联系,而后者各个构件的最优并不能等同于整体结构的最优.按照 三角闸门真实的三维情况,利用APDL语言对三角闸门有限元模型进行二次优化,融合了有限元法结构分析的 准确性与优化方法求极值问题的高效性,成功地解决了三角闸门的三维优化问题,为三角闸门结构的优化设计 提供了一种有效方法. 关摇 键摇 词:三角闸门;优化设计;APDL;ANSYS 中图分类号:TV663.2摇 摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 摇 文章编号:1009-640X(2013)02-0083-04 三角闸门因其可承受双向水头、并可利用平潮开闸以加快船舶过闸,近年来在江苏沿江附近的船闸建设 中已成为常用的工作闸门型式.同样,平面双开式三角闸门因其能承受双向水头,且不需像以往提升式平面 闸门和弧形闸门那样采用升降式启闭而建造较高的启闭机房(会影响河道的通航),近年来在具有通航要求 的大型防洪挡潮水闸中也得到了逐步应用,如江苏常州钟楼防洪控制工程中的大型挡潮闸,口门宽度90 m, 即采用了平面双开式双扇三角闸门.与船闸三角门的结构布置不同,大型水闸三角门为了避免底枢长期浸没 于水下不便维护及减少门库开挖量,往往只布置高出水面的顶枢支座而不再设置底枢.因此,在此类三角门 中,由面板和梁格组成的门叶结构在主支臂以下形成了较大的悬伸部分.对此类大跨度三角门进行合理的结 构布置和优化设计将具有重要的理论意义和工程应用价值. 传统的闸门优化设计是根据设计要求,凭经验甚至直观判断,对几种初步设计方案进行比较,遴选出较 好的方案,再对其强度、刚度、稳定性进行验算与校核,从而选出最终设计方案,或者仅分别对闸门的各个构 [2] 件进行优化.这类优化设计方法缺乏对设计对象的整体结构分析和严谨的优化准则,具有其局限性 .本文 基于ANSYS软件平台,首先根据三角门的初步设计方案建立闸门三维有限元模型,再根据闸门有限元分析 结果进行闸门结构的强度、刚度和稳定性验算,进而利用APDL语言对三角闸门结构三维有限元模型进行二 次优化.在此基础上对三角闸门进行优化设计,以期得到闸门结构的最优方案. 1摇 大型三角闸门的优化设计 1.1摇 闸门优化数学模型 闸门结构的优化设计,一般通过建立闸门三维有限元模型对其进行结构分析,选取某些对优化目标有影 响的主要因素作为设计变量,对结构的强度、刚度、稳定性以及几何条件进行约束,建立目标函数,经过优化 [2] 分析得出使闸门结构最优的解.结构优化设计的一般形式 为 摇 摇 选定设计变量 x = [x 摇 x 摇 x 摇 ……摇 x ]T (1) 1 2 3 n 摇 摇 建立目标函数f(x) ,追求 maxf(x)摇 或摇 minf(x) (2) 且满足约束条件 摇 摇 收稿日期:2012-10-20 摇 摇 作者简介:董顾春(1987-),男,浙江宁波人,硕士研究生,主要从事钢结构研究. E鄄mail:dongguchun@ 84 水 利 水 运 工 程 学 报 2013年4月 G(x) 臆0,j = 1