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基于ANSYS和MATLAB的重力坝结构优化设计

发布时间:2017-05-01 22:15

  本文关键词:基于ANSYS和MATLAB的重力坝结构优化设计,由笔耕文化传播整理发布。


【摘要】:水力资源的开发及利用对于社会经济的可持续发展有着不可替代的推动作用,而这种可再生资源的产生则源于水坝。重力坝是坝工建筑中最为常见的一种坝型,因其安全可靠、对地质条件适应性好等优点被广泛用于水利工程建设中。重力坝结构优化设计是重力坝设计中的一个重要环节,将其运用于实际工程中,可以节约工程耗材,缩短工期,对于降低工程造价有重要意义。论文将MATLAB与ANSYS进行联合运用,研究重力坝的优化算法,针对典型重力坝非溢流断面模型进行结构优化,具有一定的运用价值。本文研究得到以下结果:(1)选取典型重力坝非溢流断面模型,基于ANSYS有限元软件对重力坝进行静力分析,研究了重力坝在静力荷载组合下的位移和应力分布状态。(2)针对重力坝非溢流断面的优化问题建立了断面二维优化数学模型,根据重力坝正常运行要求及工程结构布置,确定设计变量、约束条件和目标函数。(3)开发了ANSYS和MATLAB联合算法和程序。利用APDL语言构建参数化模型,MATLAB作为主控程序,调用APDL进行优化搜索,ANSYS作为求解器进行有限元分析。优化设置能够在MATLAB中全部完成,实现了优化程序自动化。(4)分别采用基于MATLAB的复合形法等三种方法进行优化,以断面面积最小化为寻优目标。结果表明:复合形法得到的效果明显最优,与初始设计方案相比,面积减少了67.877m2,优化率达到14.51%;遗传算法优化效果次之,面积的减少值为66.548m2,优化率达到14.22%;ANSYS自带优化模块的一阶方法和等步长搜索叠加优化效果较弱,面积的减少值为62.344m2,优化率为13.32%。研究结果表明,ANSYS和MATLAB联合优化程序用于重力坝结构优化设计中达到的效果比ANSYS自带优化模块的一阶方法和等步长搜索叠加更为理想。且该方法操作简单,适用性良好,在重力坝工程结构设计中具有一定的应用价值。
【关键词】:重力坝 有限元法 复合形法 遗传算法 优化设计
【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】:2016
【分类号】:TV642.3
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-10
  • 第一章 绪论10-16
  • 1.1 研究背景及意义10
  • 1.2 重力坝优化设计研究10-13
  • 1.2.1 重力坝发展11
  • 1.2.2 重力坝断面设计发展11-12
  • 1.2.3 重力坝优化设计发展12-13
  • 1.3 结构优化设计理论13-15
  • 1.3.1 结构优化设计发展13
  • 1.3.2 结构优化设计基本思想13
  • 1.3.3 结构优化设计的数学模型13-14
  • 1.3.4 优化问题解法14-15
  • 1.4 本文研究内容和技术路线15-16
  • 1.4.1 研究内容15
  • 1.4.2 技术路线15-16
  • 第二章 优化算法基本理论16-24
  • 2.1 复合形法16-19
  • 2.1.1 基本思想16-17
  • 2.1.2 初始复合形的建立17-18
  • 2.1.3 复合形法寻优过程18
  • 2.1.4 复合形法的特点18-19
  • 2.2 遗传算法19-24
  • 2.2.1 遗传算法的产生和发展19
  • 2.2.2 遗传算法的思想19
  • 2.2.3 遗传算法基本算子19-22
  • 2.2.4 遗传算法的搜索过程22-24
  • 第三章 重力坝应力分析与抗滑稳定分析理论24-29
  • 3.1 重力坝应力分析理论24-26
  • 3.1.1 材料力学法24-25
  • 3.1.2 弹性理论法25-26
  • 3.1.3 模型试验法26
  • 3.2 重力坝抗滑稳定分析理论26-29
  • 3.2.1 刚体极限平衡法26-28
  • 3.2.2 有限元法28
  • 3.2.3 物理模拟方法28-29
  • 第四章 基于APDL的重力坝优化设计29-37
  • 4.1 有限元法与ANSYS29-31
  • 4.1.1 有限元法概述29
  • 4.1.2 ANSYS软件简介29-31
  • 4.2 MATLAB调用ANSYS程序实现31-32
  • 4.2.1 MATLAB调用模块31
  • 4.2.2 数据传递模块31-32
  • 4.3 基于APDL重力坝优化程序实现32-37
  • 4.3.1 参数化建模32-34
  • 4.3.2 加载34
  • 4.3.3 约束条件34
  • 4.3.4 目标函数34-35
  • 4.3.5 优化程序35-37
  • 第五章 计算模型及数据结果分析37-47
  • 5.1 工程实例37
  • 5.2 重力坝优化数学模型37-38
  • 5.3 数值结果及分析38-47
  • 5.3.1 初始设计分析38-40
  • 5.3.2 ANSYS优化结果40-42
  • 5.3.3 复合形法优化结果42-44
  • 5.3.4 遗传算法优化结果44-46
  • 5.3.5 优化结果对比46-47
  • 第六章 结论和展望47-49
  • 6.1 结论47
  • 6.2 存在问题和今后的研究方向47-49
  • 参考文献49-52
  • 致谢52-53
  • 作者简介53

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