拓扑优化理论在二维平面闸门设计中的应用

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。     

基于ANSYS的三支臂弧形钢闸门拓扑优化布置

基于拓扑优化理论,以结构最大刚度为目标函数,采用ANSYS拓扑优化功能对三支臂弧形钢闸门进行了布置优化,得出了三支臂弧形钢闸门的合理结构布置形式.并结合实例对优化成果进行了静动力分析比较.结果显示,拓扑优化后的闸门结构,其强度、刚度及稳定性都有一定的提高,优于原始布置结构.此方法可以为水工钢闸门结构布置创新提供一定的参考.     

深孔弧门三维拓扑优化应用研究

当前拓扑优化在水工闸门中的应用均为二维平面内的拓扑优化设计,未涉及闸门空间拓扑形式的问题。针对此,以某水电站工程深孔弧形钢闸门为例,基于连续体拓扑优化方法中的变密度法进行深孔弧门三维拓扑优化的应用研究,采用有限元软件对拓扑结果进行数值分析,并与工程中常用V型二支臂结构形式进行对比。结果表明采用三维拓扑优化得到的弧形闸门支臂最优拓扑构型为Y型树状结构,且在满足局部稳定要求前提下构建的箱型截面树状支臂结构承载能力满足规范要求。与规范中常用V型支臂结构进行对比分析,结果表明,拓扑优化的树枝状支臂结构整体位移减小15.8%,最大应力减小15%且整体分布更加均匀。三维拓扑优化方法可以应用于深孔弧形闸门的结构优化设计当中。     

拓扑优化理论在平面闸门优化设计中的应用

所谓拓扑优化就是寻找设计空间中结构刚度最好的分布方式;或是结构最佳的传输途径,这样就可以对结构中的许多性能进行优化,帮助降低结构的质量。在形状以及尺寸方面,设计的方式都在不断完善,不断成熟,这种拓扑优化成为了优化设计中比较热门的话题。在对平面闸门结构进行优化的时将这种拓扑优化引入其中,再对优化之后的成果进行了重点探讨,验证在水工闸门中运用这种拓扑优化的理论是可行的。     

拓扑优化在大型弧形钢闸门优化布置中的应用

采用拓扑优化理论进行水工钢闸门的布置优化，得出了大型钢闸门的合理结构形式：横向框架悬臂段长度为横向主梁长度的0．22倍；纵向框架悬臂段长度为纵向主梁长度的0．39倍。为水工钢闸门的设计提供了一种理性且实用的优化布置方法。     

水工弧形空腔闸门动力特性数值分析

大尺寸弧形钢闸门振动剧烈时可能会引起动力失稳破坏。为了解新型翻转式弧形空腔闸门的动力特性,通过Fortran语言自编用户子程序,利用商业有限元软件ABAQUS二次开发功能将模型试验测定离散的水流脉动压力数据转化为作用在闸门上的水动力荷载,基于随机振动分析方法对该空腔闸门进行结构动力数值仿真:①对不同工况下的闸门自振特性进行计算,得到闸门的自振频率和振型;②根据频谱分析理论,对水流脉动压力时域曲线进行了频谱分析;③计算了不同工况下闸门的随机振动响应;④编写了位移、应力最值处理程序。计算结果表明:闸门结构局部应力较大,超出结构容许应力,需对闸门结构进行修改优化,否则结构局部强度不满足要求。     

基于有限元法的中低水头钢闸门主梁梁高优化研究

针对目前中低水头平面钢闸门主梁截面形式多样、梁高取值不合理的情况，建立了工字型等效 组合截面主梁几何特性表达式及其受力模型。经分析，在水压、自重等载荷作用下闸门产生的应力、挠 度与主梁梁高的三次方成反比。在此基础上，借助有限元分析方法，通过比较不同工况下闸门的应力、 变形的分布及重量变化情况，得出了实例闸门主梁梁高的优化方案。     

滚水坝断面拓扑优化

以碗牛坝工程为例,以ANSYS12.0为平台,结合APDL语言,利用ANSYS自带的拓扑优化模块,即变密度法对滚水坝断面进行拓扑优化。通过计算可知,优化后滚水坝坝体应力和位移均满足设计要求,利用砂石料等低强度材料来填筑坝体低应力区,降低了坝体工程费用。由此表明,拓扑理论应用于滚水坝断面优化设计是可行的。     

水动力荷载与闸门振动

分析了水动力荷载与闸门振动特性，采用实验模态分析验证有限元数值计算得到的闸门模型特性，并进行闸门结构的优化设计，应用随机振动理论分析闸门结构的随机振动响应，计算实例，表明，优化闸门结构的动特性可有效地提高闸门的抗振性能。     

平面钢闸门变形及力学特性影响研究

为了深入研究闸门的流激振动，以实际工程为例，结合双向流固耦合理论，建立有限元模型，分析闸门开度对其位移、应力所产生的影响。结果表明，当相对开度大小为0.3时，闸门最大应力处于最高，为185MPa,并且在继续提高闸门开度时，闸门应力峰值开始慢慢减小，应力变化的幅度也愈来愈小；当相对开度大小为0.1时，闸门最大位移处于最高，为4.609mm,并且随着开度的继续增大，闸门位移最大值也表现出逐渐降低的趋势。但位移峰值在相对开度为0.4时，只比开度为0.1时的小，均高于其他开度时的位移峰值，闸门位移在当相对开度是0.4时一直处在变化过程中。另外，其位移峰值与开度为0.2、0.3时相比也较大，闸门应力、位移在开度为0.4时都处在持续变化中，表明这种工况危险性较高，在此开度闭门的时候要快速通过，不要停留较长时间。     

拓扑优化方法的研究进展及在水工结构设计中的应用

拓扑优化是目前结构优化领域研究的热点,也是结构优化学科发展的方向,但目前国内对拓扑优化方法在水利工程中的应用研究很少,为此,介绍了拓扑优化方法产生的背景及发展过程,通过对水工建筑物中最常见的混凝土重力坝剖面进行拓扑优化设计,并利用有限元分析软件ANSYS得出拓扑优化结果,表明了用拓扑优化方法进行剖面设计是可行的。     

三峡升船机平衡重滑轮结构拓扑优化设计

为了解决三峡升船机平衡重滑轮腔体内焊接支撑块脱落导致异响问题,建立了以结构柔度最小为优化目标的拓扑优化模型,基于ANSYS对滑轮结构进行拓扑优化设计并对模型进行重构,得到了最终优化模型.对比分析了优化前后结果,表明优化后的滑轮总重与优化前的比值为0.91,所受最大应力比值0.852,所受最大位移比值0.94.通过优化结...     

基于拓扑优化方法的开挖边坡设计

提出了应用拓扑优化方法设计边坡的方法,并运用基于刚度的拓扑优化方法对一开挖边坡进行优化设计,分析了边坡优化过程中材料密度的变化以及应变能随优化区体积的变化规律,对比分析了边坡拓扑优化设计前后的应变能与水平位移。通过强度折减法计算分析了传统开挖边坡设计与拓扑优化设计边坡的稳定性。边坡拓扑优化设计沿原坡面进行删减单元,未出现空洞现象。优化后的坡体趋于三角形,应变能最大值减小,横向位移分布较为均匀,可以认为使用拓扑优化方法对开挖边坡进行优化是可行的。在坡顶荷载作用下,边坡坡比随高程而变,且上部坡比较小。拓扑优化设计的边坡在开挖区域内以及整个设计土坡的安全系数与在开挖同样体积下传统边坡设计的安全系数相差较小,拓扑优化设计的开挖边坡滑弧较不明显,并且拓扑优化方法在边坡设计时较好地考虑了边坡的土体材料特性及边坡的应变能。     

静力与动力荷载下高拱坝体型多目标优化设计

本文基于静、动力荷载作用下高拱坝的安全性与经济性，建立了高拱坝体型多目标优化设计模型，利用模糊理论提出了多目标优化的评价函数。以小湾拱坝为例，进行了体型优化设计，优化体型与初始体型相比，在坝体体积、应力指标和抗震能力上都得到了改善。     

塔带机工作平台多载荷拓扑优化设计

以塔带机工作平台多载荷作用下的整体柔度最小为优化目标,基于实体各向同性材料惩罚函数插值方法,构建多载荷拓扑优化数学模型,利用HyperWorks/Optistruct求解优化模型,得到工作平台的拓扑形式。根据拓扑形式重构几何模型,并对原结构模型和重构模型进行静力分析比较,结果表明,工作平台结构经拓扑优化后,在减轻结构质量的同时,提高了结构刚度,减小了应力分布,比优化前更加安全、可靠。     

基于EM算法的树状注水管网优化设计

针对油田系统中的树状注水管网的拓扑优化问题,以最小管网造价为目标函数,以站、间、井的隶属关系惟一性及服务能力等为约束条件,建立优化数学模型。尝试利用一种新型优化算法——类电磁机制算法对模型进行求解,该方法以站、间的空间位置作为带电粒子,在若干带电粒子形成的电场中,粒子受力移动以更新管网的拓扑结构及站、间规模,实现对管网造价的优化。运用实例进行优化验证,优化后的管网造价与原管网的布局造价相比降低了15.28%,充分表明了EM算法在油田树状注水管网拓扑优化方面的有效性。     

桁架结构拓扑和布局优化发展综述

从优化模型的建立和求解算法的研究两个方面对桁架结构的拓扑、布局优化的发展历程和研究现状进行综合评述。按照发展的先后,将以基结构法为基础的优化模型根据设计变量的不同分为3类,同时描述了非基结构法的拓扑布局优化;将求解算法分为传统的数学求解和智能化的全局寻优求解两部分。对桁架结构的拓扑布局优化在实际工程中的应用进行了总结,指出了结构拓扑、布局优化在理论研究、工程应用和软件开发等方面的研究方向。     

基于重力坝应力计算及稳定分析的优化设计

目前中小型混凝土重力坝设计中普遍采用传统低效率的人工试算,不能得到最优实用剖面。立足中小水电站,以《混凝土重力坝设计规范》为依据,以数值计算软件为平台,以研究混凝土重力坝应力计算和抗滑稳定分析为重点,以结构优化设计理论为基础,以优化参数为条件,以重力坝剖面面积最小优化设计为目标,将材料力学法和有限元等效应力法相结合,刚体极限平衡法辅助整体及局部安全度,论述了基于重力坝应力计算及稳定分析的优化设计软件开发思路和方法,为实际工程设计提供理论指导。