基于拓扑优化理论的大跨度三支座水工弧形钢闸门设计研究

发布时间：2017-03-30 15:04

  本文关键词：基于拓扑优化理论的大跨度三支座水工弧形钢闸门设计研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水工弧形钢闸门由于其封闭面积大,启闭方便,预埋件少,闸墩高度小等优点,被广泛的应用于水工建筑物中。钢闸门的传统设计采用平面体系法或空间体系法,得到的钢闸门传力路径不够合理,造成结构自重过大,耗费大且不利于操作。此外,实际工程中很多钢闸门的破坏形式为结构失稳破坏,多归因于传统设计方法的不足。结构拓扑优化是一种最新结构优化理论,可应用于概念性结构设计。本文尝试给出一种新型的三支座大跨度水工弧门的设计方案:首先利用拓扑优化理论设计水工弧形钢闸门各支撑部件的最佳构型;其次,根据概念设计结果组装出水工弧形钢闸门整体模型;再次,利用尺寸优化技术,在保证弧形钢闸门变形、应力、自振频率、屈曲因子等要求的前提下,降低结构自重;然后校核钢闸门设计在其他工况下是否满足应力、应变、自振频率、屈曲因子等参数要求,确保结构安全运行;最后利用Keyshot软件渲染得到三支座弧形钢闸门结构效果图。在整个设计过程采用数值模拟软件Hyperworks展开建模、优化及后处理。尤其,在拼装整体结构时采用焊接单元连接相邻构件,以确保结构刚度与实际结构刚度更为吻合。经尺寸优化后得到的三支座水工弧形钢闸门最大应力为279Mpa345MPa,最大变形为19.3mm20mm,一阶屈曲因子为1.581.5,一阶自振频率为10.6Hz3.5Hz。通过尺寸优化前后设计参数的对比发现通过尺寸优化弧形钢闸门各方面的性能指标明显得到了改善,同时闸门自重减小了6.3%。
【关键词】：水工闸门 弧形钢闸门 三支座 拓扑优化 尺寸优化
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV663
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 研究背景9-15
• 1.1 水工弧形钢闸门简介9-10
• 1.2 弧形钢闸门的应用历史及发展现状10-13
• 1.2.1 弧形闸门应用历史10-11
• 1.2.2 弧形钢闸门研究现状11-13
• 1.3 弧形钢闸门的破坏类型13-14
• 1.4 钢闸门传统设计方法的缺点14-15
• 第二章 拓扑优化理论15-24
• 2.1 拓扑优化方法简介15-17
• 2.2 拓扑优化方法的发展17-18
• 2.3 连续体拓扑优化材料插值方法简介18-20
• 2.3.1 均匀化方法18
• 2.3.2 变密度方法18-19
• 2.3.3 渐进结构优化法19
• 2.3.4 水平集方法19-20
• 2.4 结构拓扑优化中优化数值求解算法介绍20-21
• 2.4.1 准则法20-21
• 2.4.2 数学规划法21
• 2.4.3 其他方法21
• 2.5 拓扑优化中的数值不稳定现象及处理技术21-22
• 2.6 选题依据和技术路线22-24
• 第三章 Optistruct优化求解流程及理论24-29
• 3.1 Optistruct求解器内部优化流程24-25
• 3.2 设计响应灵敏度分析25-26
• 3.3 优化求解26-27
• 3.4 Optistruct中尺寸优化简介27
• 3.5 Radioss线性屈曲分析简介27-28
• 3.6 Radioss模态分析简介28-29
• 第四章 大跨度三支座弧形钢闸门设计29-62
• 4.1 钢闸门设计参数29-30
• 4.2 弧形钢闸门设计思路30
• 4.3 弧形钢闸门的具体设计过程30-61
• 4.3.1 弧形钢闸门支臂拓扑优化非设计域厚度的确定30-31
• 4.3.2 弧形闸门支臂横向布置设计31-32
• 4.3.3 弧形闸门支臂纵向布置设计32-34
• 4.3.4 弧形钢闸门纵向肋设计34-36
• 4.3.5 弧形钢闸门横向肋设计36-38
• 4.3.6 三支座弧形钢闸门的组装38-40
• 4.3.7 钢闸门网格划分40-41
• 4.3.8 尺寸优化前弧形钢闸门受力分析41-49
• 4.3.9 水工弧形钢闸门尺寸优化49-52
• 4.3.10 尺寸优化后弧形钢闸门的校核52-61
• 4.4 小结61-62
• 第五章 结论和展望62-64
• 5.1 结论62
• 5.2 创新点62-63
• 5.3 不足和展望63-64
• 5.3.1 不足63
• 5.3.2 展望63-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-70
• 作者简介70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：277392