專利名稱：新型潛孔式弧形水工鋼閘門拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水利工程中閘門的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，更具體地說(shuō)，涉及一種新型潛孔式弧形水工鋼閘門拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
與平面鋼閘門相比較，弧形鋼閘門啟閉省力，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，操作方便，泄流條件好，隨著水利水電建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，弧形鋼閘門得到了廣泛的應(yīng)用。弧形鋼閘門按照門頂以上水位的深度分為露頂式和潛孔式，目前，潛孔式弧形閘門的設(shè)計(jì)按照早期設(shè)計(jì)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合在實(shí)施。根據(jù)實(shí)際工程條件和設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)初選閘門結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度穩(wěn)定性的校驗(yàn)。少數(shù)會(huì)利用空間有限元法對(duì)閘門合 理性進(jìn)行校驗(yàn)。如驗(yàn)證計(jì)算滿足初始設(shè)計(jì)，則進(jìn)行制造；若不滿足再進(jìn)行修改。得到的結(jié)果，滿足要求卻通常難以達(dá)到最優(yōu)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)化概念的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和嘗試。這些工作指導(dǎo)了生產(chǎn)實(shí)踐，但其主要對(duì)已有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行尺寸優(yōu)化不涉及結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。對(duì)于大多數(shù)工程來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟還是依靠傳統(tǒng)的平面體系理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)出來(lái)的潛孔式弧形鋼閘門結(jié)構(gòu)相對(duì)較大，造成資源浪費(fèi)且安全裕度太高，結(jié)構(gòu)相對(duì)大、自重較大、資源消耗多。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種新型潛孔式弧形水工鋼閘門拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法。在滿足工程要求的情況下，相對(duì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠降低工程成本，減輕結(jié)構(gòu)自重優(yōu)化結(jié)構(gòu)造型。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案
一種新型潛孔式弧形水工鋼閘門拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟
a)支臂的設(shè)計(jì)方案，確定主支臂中心距離擋水面板縱對(duì)稱面的位置；
b)拓?fù)鋬?yōu)化得到支撐框架中縱向肋的布局；
c)確定新設(shè)計(jì)域，拓?fù)鋬?yōu)化得到支撐框架中橫向肋的布局；
d)構(gòu)造潛孔式鋼閘門的整體結(jié)構(gòu)并做尺寸優(yōu)化；
e)其他工況下的結(jié)構(gòu)安全校核。優(yōu)選的，在上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，所涉及到的建模、前處理、優(yōu)化軟件均為hyperworks 軟件。本發(fā)明的有益效果是，可以在滿足實(shí)際工程條件的情況下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大體積的二維三維設(shè)計(jì)，空間布局合理，設(shè)計(jì)出來(lái)的新型閘門較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)材料用量少，自重輕。


為了更清楚的說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為支臂位置的確定示意圖。圖2為主支臂縱剖面初始設(shè)計(jì)域模型圖。圖3為主支臂縱剖面拓?fù)鋬?yōu)化后結(jié)果圖。圖4為主支臂縱剖面優(yōu)化修正后結(jié)果圖。圖5為縱向肋初始設(shè)計(jì)域模型圖。
圖6為縱向肋拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖。圖7為修正后縱向肋布局圖。圖8為橫向肋初始設(shè)計(jì)域模型圖。圖9為橫向肋拓?fù)浣Y(jié)果圖。圖10為橫向肋最終布局圖。圖11為拓?fù)鋬?yōu)化后新型潛孔式弧形鋼閘門整體結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開了一種針對(duì)潛孔式弧形水工鋼閘門的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，以尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)，降低工程成本。下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明所提供的針對(duì)潛孔式弧形水工鋼閘門的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟
1.從實(shí)際工程設(shè)計(jì)獲得輸入條件；
2.根據(jù)設(shè)計(jì)輸入條件確定主支臂中心距離擋水面板縱對(duì)稱面的位置；通過(guò)建模軟件創(chuàng)建主支臂處的二維設(shè)計(jì)的幾何模型(扇形)，扇形面的弧形半徑即為工作弧門半徑(本發(fā)明實(shí)例使用的是Hypermesh軟件，當(dāng)然也可使用其他建模軟件,只要可以創(chuàng)建出CAD模型即可)；
3.將模型進(jìn)行前處理，建立有限元模型(本發(fā)明實(shí)例使用的是Hypermesh軟件，當(dāng)然也可使用其他CAE前處理軟件，只要可以將CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分)；
4.確定扇形區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)域及非設(shè)計(jì)域的范圍；非設(shè)計(jì)域的厚度由擋水面板的厚度和加強(qiáng)肋的厚度組成，根據(jù)公式估算而得；
5.施加荷載,將三維荷載凝縮到二維邊界；
6.確定優(yōu)化目標(biāo)及約束條件進(jìn)行優(yōu)化(本發(fā)明實(shí)例使用的是Hyperworks軟件,當(dāng)然也可使用其他優(yōu)化軟件，只要可以得到滿足約束條件的最有拓?fù)?；
7.得到二維拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果并進(jìn)行修正，提取邊界；
8.將擋水面板設(shè)定為非設(shè)計(jì)域，確定優(yōu)化目標(biāo)及約束條件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到縱向肋的布局方案；
權(quán)利要求
1.一種新型潛孔式直支臂弧形水工鋼閘門的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括步驟 從實(shí)際工程設(shè)計(jì)獲得輸入條件； 根據(jù)設(shè)計(jì)輸入條件確定主支臂中心距離擋水面板縱對(duì)稱面的位置；通過(guò)建模軟件創(chuàng)建主支臂處的二維設(shè)計(jì)的幾何模型(扇形)，扇形面的弧形半徑即為工作弧門半徑； 將模型進(jìn)行前處理，建立有限元模型； 確定扇形區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)域及非設(shè)計(jì)域的范圍；非設(shè)計(jì)域的厚度由擋水面板的厚度和加強(qiáng)肋的厚度組成，根據(jù)公式估算而得； 施加荷載，將三維荷載凝縮到二維邊界； 確定優(yōu)化目標(biāo)及約束條件進(jìn)行優(yōu)化； 得到二維拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果并進(jìn)行修正，提取邊界； 將擋水面板設(shè)定為非設(shè)計(jì)域，確定優(yōu)化目標(biāo)及約束條件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到縱向肋的布局方案; 確定橫向肋拓?fù)鋬?yōu)化的初始設(shè)計(jì)域，為了降低計(jì)算量，將支臂所在非設(shè)計(jì)區(qū)域去掉，交界處代之以固定位移約束；將擋水面板設(shè)定為非設(shè)計(jì)域，確定優(yōu)化目標(biāo)及約束條件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到橫向肋的布局方案； 根據(jù)分布拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的部分布局方案建立結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)模型； 對(duì)整體三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化； 其他工況下的結(jié)構(gòu)安全性校核，并按需要進(jìn)行局部調(diào)整；完成最終設(shè)計(jì)輸出。
2.如權(quán)利要求I所述的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(quán)利要求I所述的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述拓?fù)鋬?yōu)化方法應(yīng)用軟件hyperworks軟件下的optistruct求解器。
4.如權(quán)利要求I所述的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟d)中的所述非設(shè)計(jì)域 的確定方法為
5.如權(quán)利要求I所述的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)總成實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)的荷載和一些部件的自由度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于拓?fù)鋬?yōu)化的新型潛孔式弧形水工鋼閘門設(shè)計(jì)方法，包括步驟支臂的設(shè)計(jì)方案，確定主支臂中心距離擋水面板縱對(duì)稱面的位置；拓?fù)鋬?yōu)化得到支撐框架中縱向肋的布局；確定新設(shè)計(jì)域，拓?fù)鋬?yōu)化得到支撐框架中橫向肋的布局；構(gòu)造潛孔式鋼閘門的整體結(jié)構(gòu)并做尺寸優(yōu)化；其他工況下的結(jié)構(gòu)安全校核。本發(fā)明在滿足受力要求，減輕結(jié)構(gòu)自重的前提下能夠?qū)さ媒Y(jié)構(gòu)布置的最優(yōu)拓?fù)??？梢栽跐M足實(shí)際工程條件的情況下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大體積的二維三維設(shè)計(jì)，空間布局合理，設(shè)計(jì)出來(lái)的新型閘門較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)具有材料用量少，自重輕的優(yōu)越性。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102968518SQ20121037489
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月8日
發(fā)明者蔡坤, 曹靖 申請(qǐng)人:蔡坤