一种基于SIMP优化理论的露顶式弧形钢闸门优化设计方法。应用hyperworks软件，主要进行三大部分的设计：支臂、横向肋和纵向肋。然后将其和面板一起组装。形成整体结构。该方法能够克服传统的按照早起规范设计的弊端。按照设计步骤，不依赖于经验，能够在满足工程要求的情况下，降低成本，减轻结构自重，提高结构的安全系数。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种水利工程中闸门的优化设计方法，更具体地说，涉及一种基于SMP理论的露顶式弧形水工钢闸门优化设计方法。
技术介绍
闸门是水利建筑物的重要组成部分，是用于关闭和开放泄(放)水通道的控制设施。其中，弧形钢闸门由于 启闭省力，埋件少，无门槽等优点，得到了广泛的应用。目前，露顶式弧形闸门的设计按照设计规范和经验相结合在实施。根据实际工程条件初选闸门结构，然后进行结构强度钢都稳定性的校验。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。此种设计步骤设计出来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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于SMP拓扑优化理论的露顶式弧形钢闸门优化设计方法。在满足工程要求的情况下，能够降低工程成本，减轻结构自重，优化结构造型。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案 基于SMP理论的露顶式弧形钢闸门优化设计方法，包括以下步骤 a)确定支臂位置； b)建立弧形钢闸门纵剖面的初始设计域模型，对此初始设计域进行拓扑优化，提取最终的支臂结构边界； c)选取优化区域，拓扑出支撑框架中纵向肋的布局； d)选取优化区域，拓扑出支撑框架中横向肋的布局； e)利用提取的支臂二维结构边界，沿其法向某一路径生成三维结构；结合横纵肋生成整体三维结构；f)依据实际工程的边界约束条件，对三维整体结构，进行尺寸优化，确定最终的设计方案。在上述优化设计方法中,所涉及到的建模，优化软件均为hyperworks软件。在上述步骤(f)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。本专利技术的有益效果是，可以在满足实际工程条件的情况下，对结构进行空间拓扑优化设计，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，自重轻。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图I是支臂位置。图2是支臂二维初始设计域。图3是支臂拓扑优化后区域。图4是修正后的支臂最终图形。图5是纵向肋初始设计域。图6是纵向肋拓扑优化结果。图7是纵向肋最终布局。 图8是横向肋初始设计域。图9是横向肋拓扑优化结果。图10是横向肋最终布局位置。图11是三维整体结构。具体实施例方式在图I中，根据材料力学中梁变形分析可知，制作距离中心的长度()占总长()的0.293。确定出支臂的位置。图2中，(I)为非设计域，厚度(1800mm)，不计入优化计算。(2)为支臂设计区域。水荷载作用在非设计区域上。图3为支臂拓扑优化结果，约束条件为体积剩余率15%，目标函数为，结构柔度最小。图4为修正后最终支臂形状。图5中，取图2中非设计域作为优化域，最外层面板(2)为非设计域，为保证和支臂连接精准，将优化域从1800mm提高到2000mm.与支臂的连接部分用位移约束(I)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6为拓扑优化后结果。图7为最终布置方案。在图8中，取图2中非优化域作为设计区域，面板厚度(I)为非设计域，其余区域进行优化，和支臂的连接部分用位移约束(2)代替。优化目标为柔度最小，体积约束为15%。图9为拓扑优化结果，(I)为位移约束。图10为最终布局方案。图11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，得出最终各部件的厚度。权利要求1.一种基于SMP理论的露顶式直支臂弧形水工钢闸门的优化设计方法，其特征在于， 包括步骤以实际工程作为输入条件；根据材料力学中梁变形分析确定主支臂位置；通过软件创建主支臂的二维设计几何模 型(扇形)，扇形面的弧形半径即为工作弧门半径；将几何模型进行修改，完善，划分网格；确定扇形区域内设计域及非设计域的范围；非设计域的厚度由挡水面板的厚度和加强 肋的厚度组成，根据公式估算而得；施加荷载及边界条件，得出主支臂的拓扑形状，根据实际制造和工程约束，确定最终的 主支臂形状方案；确定纵向肋的优化区域，将挡水面板设定为非设计域，确定优化目标及约束条件进行 拓扑优化，得到纵向肋的布局方案；确定横向肋拓扑优化的初始设计域，为了降低计算量，将支臂所在非设计区域去掉，交 界处代之以固定位移约束；将挡水面板设定为非设计域，确定优化目标及约束条件进行拓 扑优化，得到横向肋的布局方案；将支臂方案，纵向肋方案和横向肋方案组装成闸门三维整体结构；对整体三维结构进行尺寸优化；其他工况下的结构安全性校核，并按需要进行局部调整；完成最终设计方案。2.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述建模和前处理软件为 hyperworks软件下的子模块hypermesh。3.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述拓扑优化方法应用软件 hyperworks软件下的optistruct求解器。4.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，步骤d)中的所述非设计域的确定 方法为 TN=aX (L/D)1/3XT0。5.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，步骤e)中所述的荷载及边界约束 条件具体为结构总成实际实验时的荷载和一些部件的自由度。全文摘要一种基于SIMP优化理论的露顶式弧形钢闸门优化设计方法。应用hyperworks软件，主要进行三大部分的设计支臂、横向肋和纵向肋。然后将其和面板一起组装。形成整体结构。该方法能够克服传统的按照早起规范设计的弊端。按照设计步骤，不依赖于经验，能够在满足工程要求的情况下，降低成本，减轻结构自重，提高结构的安全系数。文档编号G06F17/50GK102955879SQ201210379059公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月9日 优先权日2012年10月9日专利技术者蔡坤, 贺弘扬 申请人:蔡坤本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于SIMP理论的露顶式直支臂弧形水工钢闸门的优化设计方法，其特征在于，包括步骤：以实际工程作为输入条件；根据材料力学中梁变形分析确定主支臂位置；通过软件创建主支臂的二维设计几何模型（扇形），扇形面的弧形半径即为工作弧门半径；将几何模型进行修改，完善，划分网格；确定扇形区域内设计域及非设计域的范围；非设计域的厚度由挡水面板的厚度和加强肋的厚度组成，根据公式估算而得；施加荷载及边界条件，得出主支臂的拓扑形状，根据实际制造和工程约束，确定最终的主支臂形状方案；确定纵向肋的优化区域，将挡水面板设定为非设计域，确定优化目标及约束条件进行拓扑优化，得到纵向肋的布局方案；确定横向肋拓扑优化的初始设计域，为了降低计算量，将支臂所在非设计区域去掉，交界处代之以固定位移约束；将挡水面板设定为非设计域，确定优化目标及约束条件进行拓扑优化，得到横向肋的布局方案；将支臂方案，纵向肋方案和横向肋方案组装成闸门三维整体结构；对整体三维结构进行尺寸优化；其他工况下的结构安全性校核，并按需要进行局部调整；完成最终设计方案。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡坤，贺弘扬，
申请(专利权)人：蔡坤，
类型：发明
国别省市：
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