新型潛孔式弧形水工鋼閘門拓撲優化設計方法
2023-07-22 09:03:06 4
專利名稱：新型潛孔式弧形水工鋼閘門拓撲優化設計方法
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，涉及一種新型潛孔式弧形水工鋼閘門拓撲優化設計方法。
背景技術：
與平面鋼閘門相比較，弧形鋼閘門啟閉省力，運轉可靠，操作方便，洩流條件好，隨著水利水電建設事業的發展，弧形鋼閘門得到了廣泛的應用。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計按照早期設計規範和經驗相結合在實施。根據實際工程條件和設計人員經驗設計初選閘門結構，然後進行結構強度剛度穩定性的校驗。少數會利用空間有限元法對閘門合 理性進行校驗。如驗證計算滿足初始設計，則進行製造；若不滿足再進行修改。得到的結果，滿足要求卻通常難以達到最優。隨著計算機技術的發展和優化概念的應用，國內已經有許多學者對其優化設計進行了研究和嘗試。這些工作指導了生產實踐，但其主要對已有設計方案進行尺寸優化不涉及結構的拓撲優化。對於大多數工程來說，傳統設計步驟還是依靠傳統的平面體系理論為基礎設計計算，設計出來的潛孔式弧形鋼閘門結構相對較大，造成資源浪費且安全裕度太高，結構相對大、自重較大、資源消耗多。
發明內容
為克服上述問題，本發明提供了一種新型潛孔式弧形水工鋼閘門拓撲優化設計方法。在滿足工程要求的情況下，相對與傳統設計，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
一種新型潛孔式弧形水工鋼閘門拓撲優化設計方法，包括以下步驟
a)支臂的設計方案，確定主支臂中心距離擋水面板縱對稱面的位置；
b)拓撲優化得到支撐框架中縱向肋的布局；
c)確定新設計域，拓撲優化得到支撐框架中橫向肋的布局；
d)構造潛孔式鋼閘門的整體結構並做尺寸優化；
e)其他工況下的結構安全校核。優選的，在上述優化設計方法中，所涉及到的建模、前處理、優化軟體均為hyperworks 軟體。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大體積的二維三維設計，空間布局合理，設計出來的新型閘門較傳統設計材料用量少，自重輕。
為了更清楚的說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據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計域模型圖。圖3為主支臂縱剖面拓撲優化後結果圖。圖4為主支臂縱剖面優化修正後結果圖。圖5為縱向肋初始設計域模型圖。
圖6為縱向肋拓撲優化結果圖。圖7為修正後縱向肋布局圖。圖8為橫向肋初始設計域模型圖。圖9為橫向肋拓撲結果圖。圖10為橫向肋最終布局圖。圖11為拓撲優化後新型潛孔式弧形鋼閘門整體結構圖。
具體實施例方式本發明公開了一種針對潛孔式弧形水工鋼閘門的拓撲優化設計方法，以尋找最優設計，降低工程成本。下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。本發明所提供的針對潛孔式弧形水工鋼閘門的拓撲優化設計方法，包括以下步驟
1.從實際工程設計獲得輸入條件；
2.根據設計輸入條件確定主支臂中心距離擋水面板縱對稱面的位置；通過建模軟體創建主支臂處的二維設計的幾何模型(扇形)，扇形面的弧形半徑即為工作弧門半徑(本發明實例使用的是Hypermesh軟體，當然也可使用其他建模軟體,只要可以創建出CAD模型即可)；
3.將模型進行前處理，建立有限元模型(本發明實例使用的是Hypermesh軟體，當然也可使用其他CAE前處理軟體，只要可以將CAD模型進行網格劃分)；
4.確定扇形區域內設計域及非設計域的範圍；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；
5.施加荷載,將三維荷載凝縮到二維邊界；
6.確定優化目標及約束條件進行優化(本發明實例使用的是Hyperworks軟體,當然也可使用其他優化軟體，只要可以得到滿足約束條件的最有拓撲)；
7.得到二維拓撲優化結果並進行修正，提取邊界；
8.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；
權利要求
1.一種新型潛孔式直支臂弧形水工鋼閘門的拓撲優化設計方法，其特徵在於，包括步驟 從實際工程設計獲得輸入條件； 根據設計輸入條件確定主支臂中心距離擋水面板縱對稱面的位置；通過建模軟體創建主支臂處的二維設計的幾何模型(扇形)，扇形面的弧形半徑即為工作弧門半徑； 將模型進行前處理，建立有限元模型； 確定扇形區域內設計域及非設計域的範圍；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，將三維荷載凝縮到二維邊界； 確定優化目標及約束條件進行優化； 得到二維拓撲優化結果並進行修正，提取邊界； 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； 根據分布拓撲優化結果的部分布局方案建立結構初始設計模型； 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，並按需要進行局部調整；完成最終設計輸出。
2.如權利要求I所述的優化設計方法，其特徵在於，所述建模和前處理軟體為hyperworks軟體下的子模塊hypermesh。
3.如權利要求I所述的優化設計方法，其特徵在於，所述拓撲優化方法應用軟體hyperworks軟體下的optistruct求解器。
4.如權利要求I所述的優化設計方法，其特徵在於，步驟d)中的所述非設計域 的確定方法為
5.如權利要求I所述的優化設計方法，其特徵在於，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
本發明公開了一種基於拓撲優化的新型潛孔式弧形水工鋼閘門設計方法，包括步驟支臂的設計方案，確定主支臂中心距離擋水面板縱對稱面的位置；拓撲優化得到支撐框架中縱向肋的布局；確定新設計域，拓撲優化得到支撐框架中橫向肋的布局；構造潛孔式鋼閘門的整體結構並做尺寸優化；其他工況下的結構安全校核。本發明在滿足受力要求，減輕結構自重的前提下能夠尋得結構布置的最優拓撲。可以在滿足實際工程條件的情況下對結構進行大體積的二維三維設計，空間布局合理，設計出來的新型閘門較傳統設計具有材料用量少，自重輕的優越性。
文檔編號G06F17/50GK102968518SQ20121037489
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月8日 優先權日2012年10月8日
發明者蔡坤, 曹靖 申請人:蔡坤