專利名稱：基于simp理論的露頂式弧形水工鋼閘門優化設計方法
技術領域：
本發明涉及一種水利工程中閘門的優化設計方法，更具體地說，涉及一種基于SMP理論的露頂式弧形水工鋼閘門優化設計方法。
背景技術：
閘門是水利建筑物的重要組成部分，是用于關閉和開放泄(放)水通道的控制設施。其中，弧形鋼閘門由于 啟閉省力，埋件少，無門槽等優點，得到了廣泛的應用。目前，露頂式弧形閘門的設計按照設計規范和經驗相結合在實施。根據實際工程條件初選閘門結構，然后進行結構強度鋼都穩定性的校驗。少數會利用空間有限元法對閘門布局合理性進行校驗。此種方法主要依靠傳統的平面體系理論設計計算，缺少對閘門空間合理拓撲形式的優化；對于大多數工程來說。此種設計步驟設計出來的露頂式弧形鋼閘門安全冗余度較高。結構相對較大，自重較大。

發明內容
有鑒于此，本發明提供了一種基于SMP拓撲優化理論的露頂式弧形鋼閘門優化設計方法。在滿足工程要求的情況下，能夠降低工程成本，減輕結構自重，優化結構造型。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案
基于SMP理論的露頂式弧形鋼閘門優化設計方法，包括以下步驟
a)確定支臂位置；
b)建立弧形鋼閘門縱剖面的初始設計域模型，對此初始設計域進行拓撲優化，提取最終的支臂結構邊界；
c)選取優化區域，拓撲出支撐框架中縱向肋的布局；
d)選取優化區域，拓撲出支撐框架中橫向肋的布局；
e)利用提取的支臂二維結構邊界，沿其法向某一路徑生成三維結構；結合橫縱肋生成整體三維結構；
f)依據實際工程的邊界約束條件，對三維整體結構，進行尺寸優化，確定最終的設計方案。在上述優化設計方法中,所涉及到的建模，優化軟件均為hyperworks軟件。在上述步驟(f)中所述的邊界約束條件具體為弧形鋼閘門實際荷載總和，位置以及一些部件的自由度約束。本發明的有益效果是，可以在滿足實際工程條件的情況下，對結構進行空間拓撲優化設計，設計結果布局合理，設計出來的新型閘門較傳統設計材料用量少，自重輕。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖I是支臂位置。圖2是支臂二維初始設計域。圖3是支臂拓撲優化后區域。圖4是修正后的支臂最終圖形。圖5是縱向肋初始設計域。圖6是縱向肋拓撲優化結果。圖7是縱向肋最終布局。 圖8是橫向肋初始設計域。圖9是橫向肋拓撲優化結果。圖10是橫向肋最終布局位置。圖11是三維整體結構。
具體實施例方式在圖I中，根據材料力學中梁變形分析可知，制作距離中心的長度()占總長()的0.293。確定出支臂的位置。圖2中，(I)為非設計域，厚度(1800mm)，不計入優化計算。(2)為支臂設計區域。水荷載作用在非設計區域上。圖3為支臂拓撲優化結果，約束條件為體積剩余率15%，目標函數為，結構柔度最小。圖4為修正后最終支臂形狀。圖5中，取圖2中非設計域作為優化域，最外層面板(2)為非設計域，為保證和支臂連接精準，將優化域從1800mm提高到2000mm.與支臂的連接部分用位移約束(I)代替。優化目標函數為結構柔度最小，約束條件為體積剩余率15%。圖6為拓撲優化后結果。圖7為最終布置方案。在圖8中，取圖2中非優化域作為設計區域，面板厚度(I)為非設計域，其余區域進行優化，和支臂的連接部分用位移約束(2)代替。優化目標為柔度最小，體積約束為15%。圖9為拓撲優化結果，(I)為位移約束。圖10為最終布局方案。圖11為整體裝配好的三維結構，最后依據材料的抗壓，抗拉，穩定性等屬性，考慮結構屈曲，自振頻率等約束，得出最終各部件的厚度。
權利要求
1.一種基于SMP理論的露頂式直支臂弧形水工鋼閘門的優化設計方法，其特征在于， 包括步驟以實際工程作為輸入條件；根據材料力學中梁變形分析確定主支臂位置；通過軟件創建主支臂的二維設計幾何模 型(扇形)，扇形面的弧形半徑即為工作弧門半徑；將幾何模型進行修改，完善，劃分網格；確定扇形區域內設計域及非設計域的范圍；非設計域的厚度由擋水面板的厚度和加強 肋的厚度組成，根據公式估算而得；施加荷載及邊界條件，得出主支臂的拓撲形狀，根據實際制造和工程約束，確定最終的 主支臂形狀方案；確定縱向肋的優化區域，將擋水面板設定為非設計域，確定優化目標及約束條件進行 拓撲優化，得到縱向肋的布局方案；確定橫向肋拓撲優化的初始設計域，為了降低計算量，將支臂所在非設計區域去掉，交 界處代之以固定位移約束；將擋水面板設定為非設計域，確定優化目標及約束條件進行拓 撲優化，得到橫向肋的布局方案；將支臂方案，縱向肋方案和橫向肋方案組裝成閘門三維整體結構；對整體三維結構進行尺寸優化；其他工況下的結構安全性校核，并按需要進行局部調整；完成最終設計方案。
2.如權利要求1所述的優化設計方法，其特征在于，所述建模和前處理軟件為 hyperworks軟件下的子模塊hypermesh。
3.如權利要求1所述的優化設計方法，其特征在于，所述拓撲優化方法應用軟件 hyperworks軟件下的optistruct求解器。
4.如權利要求1所述的優化設計方法，其特征在于，步驟d)中的所述非設計域的確定 方法為 TN=aX (L/D)1/3XT0。
5.如權利要求1所述的優化設計方法，其特征在于，步驟e)中所述的荷載及邊界約束 條件具體為結構總成實際實驗時的荷載和一些部件的自由度。
全文摘要
一種基于SIMP優化理論的露頂式弧形鋼閘門優化設計方法。應用hyperworks軟件，主要進行三大部分的設計支臂、橫向肋和縱向肋。然后將其和面板一起組裝。形成整體結構。該方法能夠克服傳統的按照早起規范設計的弊端。按照設計步驟，不依賴于經驗，能夠在滿足工程要求的情況下，降低成本，減輕結構自重，提高結構的安全系數。
文檔編號G06F17/50GK102955879SQ201210379059
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月9日 優先權日2012年10月9日
發明者蔡坤, 賀弘揚 申請人:蔡坤