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闸门的优化设计
摘要:本文首先介绍了工程概况和优化目的,然后分析了计算工况和弧形钢闸门空间有限元模型的建立,最后指出了优化模型的建立和优化参数的选取。
关键词:闸门;优化设计
中图分类号: S611文献标识码: A
在结构设计中,引入最优化方法是20世纪60年代初的事,而闸门结构最优设计的研究则更晚,其原因主要是由于设计变量个数相当多,需要大容量的计算机和很多的运算时间。随后,仿生算法的出现使大型复杂结构的最优化设计成为可能,其中尤以遗传算法应用最为广泛。遗传算法是一种使用了群体搜索技术的自适应概率全局优化的搜索算法,该算法具有较强的鲁棒性,适于求解各种不同类型的复杂优化问题。但是在小群体规模时该算法存在“早熟”现象,容易过早地收敛于局部最优解,而且遗传操作容易将优良的个体遗弃,使优化效率降低。另外,对于结构比较复杂或者需要修改的地方很多的优化问题,优化的时间比较长,其中计算时间相对较少,建模和结构修改所占比重较大。在结构的优化设计中,有限单元法是一个比较有效的方法。通常,建立模型和模型的修改都是手工完成的,能够有效地减少建模和结构修改的时间,提高结构优化效率。
到目前为止,国内已经有很多闸门三维有限元分析的实例,同时也积累了不少结构优化的经验,但是将最优化算法运用到闸门的整体三维有限元分析计算中似乎还没有先例。基于有限元方法在结构分析中的先进型和遗传算法在结构优化设计中的优越性,本文在现有的理论和实践基础上,采用了适应度尺度变换、最优保留策略和自适应概率的大变异操作等改进措施的小生境遗传算法,对标准的遗传算法进行了某些改进,改善了其收敛速度和计算稳定性。并且以大型有限元软件ANSYS为工作平台,利用APDL语言自主开发了一套遗传算法优化程序,利用新的遗传算法从空间的角度对某超大型弧形钢闸门进行了有限元结构优化设计,通过程序自动实现建模和优化过程,实现了有限元方法和遗传算法的有机结合。不仅改善了遗传算法在小群体规模时容易出现的
“早熟”现象,而且提高了计算结果的精确性,取得了较为理想结果。即节省了材料、减轻了自重,又提高了闸门的整体安全度,获得了可观的工程效益和经济效益,为工程可行性研究和工程设计提供了可靠的依据。
1工程概况
某水电站采用河床式厂房,安装3台60MW立轴轴流转浆式机组,总装机容量180MW。泄洪坝段由5个表孔、3个泄洪排沙中孔和1个左岸泄洪中孔组成。大汛期间中孔与表孔联合运行,用以泄洪。
,,,闸门尺寸为14 X ,, 。
作用在闸门上的荷载主要有水压力、闸门自重、启闭力、水封和支铰处的摩阻力
矩等。由于挡水高度大而宽高比较小,工作闸门采用八型三支臂主横梁式弧形闸
门,主横梁采用同层布置。该钢闸门采用16Mn钢,弹性模量E=206GPa,泊松比a =,质量密度A=。其动力系数取为1-(面板取1,,主梁、 ),面板内缘曲率半径为25m。启闭设备采用双吊点油压式启闭机,启门力为2 X 2800kN,。波浪压力按浅水波和官厅水库经验公式计算,重力加速度取g= m/s2。