弧形钢闸门的优化设计与可靠度分析

发布时间：2017-04-24 17:05

  本文关键词：弧形钢闸门的优化设计与可靠度分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在水利水电工程领域,水工钢闸门是不可缺少的一种钢结构构件,它广泛应用于水坝的航运、灌溉、引水发电等系统中。闸门种类有很多,其中弧形钢闸门拥有其它类型闸门所没有的优点,成为应用形式最普遍的闸门。在弧形钢闸门的设计研究中,由于基于平面体系的传统计算方式忽略了构件之间的相互作用,会导致计算结果不够准确；同时通过试算的方法计算效率不高,最终结构偏于安全；目前以确定性方法设计的结构只是具备一定概率上的安全性能,所以在设计完成后校核各构件的可靠度很有必要。本文利用有限元仿真技术ANSYS对闸门进行三维建模和受力分析,通过考虑弧形钢闸门各构件之间的相互作用,使结果更加准确。在此基础上,利用优化算法在结构的安全性和经济性之间寻找一个平衡点,并对优化结果进行可靠度校核。论文具体的研究工作如下：1、详细介绍了闸门组成、分类以及各重要构件的布置形式；接着阐述了建立弧形钢闸门有限元模型所需的单元类型、工况组合、约束以及相关规范对闸门的要求等内容。依据对弧形钢闸门构造和建模的叙述,建立一个闸门实体模型,研究分析了此模型常见的作用和抗力,为结构优化和可靠度分析做好准备。2、利用粒子群优化算法,结合ANSYS的分析计算能力,对弧形钢闸门进行优化设计。此方法与传统的通过试算的设计方法相比,不会产生过于保守的设计结果；与ANSYS自带的优化算法相比,避免了局部收敛的问题,计算效率提高。在这过程中,对比了三种不同主框架形式的闸门用钢量,总结了双主梁形式弧形钢闸门受力更加均匀、造价低廉的优势。3、根据《水利水电工程钢闸门设计规范》和结构可靠度理论,统计闸门抗力和作用的分布参数,根据弧形钢闸门的强度、刚度和支臂稳定三种失效模式,利用优化所得的结构模型来计算主框架中各重要受力构件在不同工况组合下的可靠指标,验证了确定性优化设计后各构件的可靠度。从结果可以看出主梁的强度是影响结构可靠度的薄弱环节,而波浪压力工况组合及其它水压力类荷载对结构安全影响最大,为闸门的保守设计和正常工作提供了参考。
【关键词】：弧形钢闸门 结构优化 粒子群算法 蒙特卡洛法 可靠度分析
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV663.4;TV31
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 引言9
• 1.2 选题背景及意义9-12
• 1.3 钢闸门研究发展概述12-14
• 1.4 本论文主要研究内容14-15
• 2 弧形钢闸门的布置及有限元模型15-35
• 2.1 闸门的组成与分类15-18
• 2.1.1 闸门的组成15-16
• 2.1.2 弧形钢闸门的分类16-18
• 2.2 弧形钢闸门的结构布置18-22
• 2.2.1 主框架的布置与尺寸18-19
• 2.2.2 挡板上梁的设计与构造19-20
• 2.2.3 支臂的设计与构造20-22
• 2.2.4 支铰的位置和弧形钢闸门半径22
• 2.3 有限元分析模型22-31
• 2.3.1 有限元法和ANSYS的简介23-24
• 2.3.2 弧形钢闸门模型所用单元24-26
• 2.3.3 约束的处理26-27
• 2.3.4 荷载的布置与计算27-29
• 2.3.5 规范对闸门设计的要求29-31
• 2.4 钢闸门的设计模型实例31-34
• 2.5 本章小结34-35
• 3 钢闸门优化设计与受力分析35-54
• 3.1 结构优化设计35-37
• 3.1.1 优化设计简介35-36
• 3.1.2 结构优化在ANSYS中实现的过程36-37
• 3.1.3 一阶优化法37
• 3.2 粒子群算法37-42
• 3.2.1 粒子群算法简介37-39
• 3.2.2 MatLab与ANSYS结合实现优化39-42
• 3.3 弧形钢闸门优化设计42-53
• 3.3.1 不同主框架形式的优化结果对比43-44
• 3.3.2 双主梁式闸门优化结果44-48
• 3.3.3 优化后结构的内力位移分析48-53
• 3.4 本章小结53-54
• 4 弧形钢闸门的可靠度分析54-64
• 4.1 可靠性分析简介及方法54-57
• 4.1.1 结构可靠性分析简介54-55
• 4.1.2 可靠性分析在ANSYS中实现的过程55-56
• 4.1.3 蒙特卡洛法56-57
• 4.2 可靠度分析的准备57-59
• 4.2.1 荷载与抗力统计57-59
• 4.2.2 可靠度分析的功能函数59
• 4.3 弧形钢闸门结构的可靠度分析59-63
• 4.3.1 强度可靠度分析60-62
• 4.3.2 刚度可靠度分析62
• 4.3.3 支臂稳定可靠度分析62-63
• 4.4 本章小结63-64
• 5 结论64-66
• 5.1 总结64-65
• 5.2 展望65-66
• 参考文献66-69
• 附录A beam188单元梁整体稳定等效应力计算命令流69-72
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况72-73
• 致谢73-74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 周建方;弧门主框架可靠性分析及设计[J];水力发电;1993年05期

2 王万良;唐宇;;微粒群算法的研究现状与展望[J];浙江工业大学学报;2007年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 屈超;弧形钢闸门拓扑优化与结构布置研究[D];西北农林科技大学;2008年

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本文编号：324576