[发明专利]一种基于SIMP理论含树杈型支臂的大跨度弧形钢闸门设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水利工程中闸门的自主优化设计方法，更具体地说，涉及一种基于SIMP理论的含树杈型支臂的大跨度露顶式弧形水工钢闸门优化设计方法。 

背景技术

闸门是水工建筑物的重要组成部分之一，是用于关闭和开放泄（放）水通道的控制设施。它具有调节上下游水位，排除漂浮物、沉沙，放运船只等作用。 

目前，我国传统的弧形钢闸门设计，是按照《水利水电钢闸门设计规范》DL/T5013-95的规范和要求来进行。根据实际工程条件初选闸门结构，然后进行结构强度刚度稳定性的校验。少数会利用空间有限元法对闸门布局合理性进行校验，此种方法主要依靠传统的平面体系理论设计计算，缺少对闸门空间合理拓扑形式的优化。对于大多数工程来说，此种方法设计出的露顶式弧形钢闸门安全冗余度较高，结构相对较大，自重较大。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于SIMP理论含树杈型支臂的大跨度弧形钢闸门设计方法。在满足实际工程要求的情况下，充分节省材料、结构更轻便，达到优化目的。 

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 

一种基于SIMP理论含树杈型支臂的大跨度弧形钢闸门设计方法，包括以下步骤：

（a）  将设计前的闸门视为支臂、挡水面板及其支撑框架三个主要部件的组合结构；

（b） 根据连续体拓扑优化SIMP方法，考虑结构边界约束条件，获取支臂及支撑框架的拓扑形状；

（c）  利用获得的新拓扑形状构造一种含树杈型支臂的弧形钢闸门结构；

（d） 结合结构性能约束，利用尺寸优化方法确定结构各部件的具体尺寸；

（e）  对新闸门进行其他工况下的刚度、强度和稳定性等各方面的校核。

在上述优化设计方法中，所涉及到的建模，均采用优化软件hyperworks。 

在上述步骤（b)中所述的边界约束条件具体为弧形钢闸门实际荷载总和，位置以及一些部件的自由度约束。 

本发明的有益效果是：在满足实际工程需求的情况下，在结构初始设计阶段即得到结构的空间拓扑形状，比依赖经验的闸门形式选取更为接近其真实受力特征和传力途径，设计结果布局合理，设计出来的新型闸门较传统设计材料用量少，造价低，结构便于安装操作。 

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。 

图1为支臂横向初始设计域及其受力； 

图2为支臂横向拓扑结果及横向二次拓扑设计及非设计域；

图3是支臂修正后横向最终图形；

图4是整体结构横向支臂图形；

图5是支臂纵向初始设计域及其受力；

图6是支臂纵向拓扑优化结果；

图7是修正后支臂纵向最终形状；

图8为纵向肋初始设计域；

图9为纵向肋拓扑优化结果；

图10为纵向肋最终布局方案；

图11是横向肋初始设计域；

图12是横向肋拓扑优化结果；

图13是横向肋最终布局位置；

图14是三维整体结构。

具体实施方式

图1中，（1）为非设计域，厚度1000mm，不计入优化计算。（2）为支臂横向设计区域。水荷载p作用在非设计区域上； 

图2中，（3）为支臂横向拓扑优化结果，约束条件为体积剩余率15%，目标函数为结构柔度最小。对优化结果做二次拓扑，（1）为非设计域，（2）为二次拓扑设计区域，约束条件为体积剩余率50%，目标函数为结构柔度最小。

图3为最终横向支臂形状； 

图4为闸门整体横向支臂形状；

图5为支臂纵向设计，（1）为非设计域，厚度1000mm，（2）为支臂纵向设计区域，水荷载q作用在非设计域上；

图6为支臂纵向拓扑优化结果，约束条件为体积剩余率15%，目标函数为结构柔度最小。

图7为修正后支臂纵向最终形状； 

图8为闸门纵向肋设计，取图2中非设计域作为优化设计域，最外层面板（2）为优化非设计域，与支臂的连接部分用位移约束（1）代替。优化目标函数为结构柔度最小，约束条件为体积剩余率15%。图9为拓扑优化后结果。图10为纵肋最终布置方案。

在图11中，取图5中非优化域作为优化设计区域，面板厚度（2）为优化非设计域，和支臂的连接部分用位移约束（1）代替。优化目标为柔度最小，体积约束为15%。图12为拓扑优化结果，（1）为位移约束。图13为横肋最终布局方案。 

图14为整体装配好的三维结构，最后依据材料的抗压，抗拉，稳定性等属性，考虑结构屈曲，自振频率等约束，尽心尺寸优化，得出最终各部件的厚度。