弧形鋼閘門拓撲優(yōu)化與結構布置研究.pdf

1、優(yōu)化設計在現(xiàn)代結構設計中已經占有了重要的地位，它能使工程人員從眾多的方案中獲得較為完善或合適的最優(yōu)設計，是虛擬設計和制造的重要環(huán)節(jié)，并貫穿于整個研發(fā)和生產過程。結構的拓撲優(yōu)化是結構優(yōu)化設計中最富挑戰(zhàn)性的研究領域，至今還在不斷完善和發(fā)展中。 本文依據有限元分析和結構拓撲優(yōu)化的相關理論與步驟，利用成熟的結構優(yōu)化軟件ANSYS，對弧形鋼閘門進行了系統(tǒng)的二維及三維拓撲優(yōu)化，并通過對不同寬高比及弧門半徑的表孔閘門三維拓撲分析，初步得到了表

2、孔弧形閘門結構形式的選擇范圍與各自合理布置參數(shù)的取值范圍，最后參照優(yōu)化結果對一實例進行了改進布置設計，使其在強度保持不變或有所加強的基礎上，剛度和自振特性得到加強?？偨Y整個分析過程，主要取得了以下成果： (1)基于ANSYS拓撲優(yōu)化功能對弧形鋼閘門進行了二維拓撲優(yōu)化，在優(yōu)化過程中將弧門分為橫向框架與縱向框架，并分別進行了拓撲優(yōu)化。在橫向框架內主要考察其主橫梁懸臂段的最優(yōu)拓撲參數(shù)，給出了不同弧門半徑與寬度比的主橫梁懸臂最優(yōu)拓撲參數(shù)

3、。在縱向框架內，主要考察了縱梁上下懸臂段和中間段的拓撲最優(yōu)布置參數(shù)，并給出了在不同弧門半徑與高度比的情況下閘門縱向框架內的最優(yōu)拓撲布置參數(shù)。 (2)本文對表孔及深孔弧形鋼閘門進行了系統(tǒng)的三維拓撲優(yōu)化，得到了弧形閘門空間合理的傳力路徑。本文三維拓撲優(yōu)化過程分兩步完成，初步優(yōu)化選取盡可能大的設計域，以保證包含各種可能性的結構形式，二次優(yōu)化是在初步優(yōu)化的基礎上，將初步優(yōu)化結果等效處理后作為二次優(yōu)化的設計域，結果表明本文的處理方法是適用

4、的。最后也給出了不同寬高比及弧門半徑條件下的表孔閘門結構形式的選擇界限與合理的布置參數(shù)取值范圍，供設計人員參考。 (3)利用功能強大的有限元分析軟件ANSYS，建立了弧形鋼閘門有限元模型，并對一實例設計結構進行了靜動力分析。通過計算，初步掌握弧形鋼閘門的應力分布及變形情況，分析了閘門在四種工況下的固有頻率和振型。以上這些參數(shù)作為后續(xù)優(yōu)化布置結構的對比依據。 (4)基于三維拓撲優(yōu)化結果對弧門進行了改進布置，并對優(yōu)化布置后的