閘門的優(yōu)化設(shè)計

1、<p><b>　　閘門的優(yōu)化設(shè)計</b></p><p>　　摘要：本文首先介紹了工程概況和優(yōu)化目的，然后分析了計算工況和弧形鋼閘門空間有限元模型的建立，最后指出了優(yōu)化模型的建立和優(yōu)化參數(shù)的選取。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：閘門；優(yōu)化設(shè)計 </p><p>　　中圖分類號： S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A </p>&l

2、t;p>　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，引入最優(yōu)化方法是20世紀(jì)60年代初的事，而閘門結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計的研究則更晚，其原因主要是由于設(shè)計變量個數(shù)相當(dāng)多，需要大容量的計算機(jī)和很多的運(yùn)算時間。隨后，仿生算法的出現(xiàn)使大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計成為可能，其中尤以遺傳算法應(yīng)用最為廣泛。遺傳算法是一種使用了群體搜索技術(shù)的自適應(yīng)概率全局優(yōu)化的搜索算法，該算法具有較強(qiáng)的魯棒性，適于求解各種不同類型的復(fù)雜優(yōu)化問題。但是在小群體規(guī)模時該算法存在“早熟”現(xiàn)象，容易過早地收

3、斂于局部最優(yōu)解，而且遺傳操作容易將優(yōu)良的個體遺棄，使優(yōu)化效率降低。另外，對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜或者需要修改的地方很多的優(yōu)化問題，優(yōu)化的時間比較長，其中計算時間相對較少，建模和結(jié)構(gòu)修改所占比重較大。在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，有限單元法是一個比較有效的方法。通常，建立模型和模型的修改都是手工完成的，能夠有效地減少建模和結(jié)構(gòu)修改的時間，提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化效率。 </p><p>　　到目前為止，國內(nèi)已經(jīng)有很多閘門三維有限元分析的實例，同

4、時也積累了不少結(jié)構(gòu)優(yōu)化的經(jīng)驗，但是將最優(yōu)化算法運(yùn)用到閘門的整體三維有限元分析計算中似乎還沒有先例。基于有限元方法在結(jié)構(gòu)分析中的先進(jìn)型和遺傳算法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的優(yōu)越性，本文在現(xiàn)有的理論和實踐基礎(chǔ)上，采用了適應(yīng)度尺度變換、最優(yōu)保留策略和自適應(yīng)概率的大變異操作等改進(jìn)措施的小生境遺傳算法，對標(biāo)準(zhǔn)的遺傳算法進(jìn)行了某些改進(jìn)，改善了其收斂速度和計算穩(wěn)定性。并且以大型有限元軟件ANSYS為工作平臺，利用APDL語言自主開發(fā)了一套遺傳算法優(yōu)化程序，利用

5、新的遺傳算法從空間的角度對某超大型弧形鋼閘門進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，通過程序自動實現(xiàn)建模和優(yōu)化過程，實現(xiàn)了有限元方法和遺傳算法的有機(jī)結(jié)合。不僅改善了遺傳算法在小群體規(guī)模時容易出現(xiàn)的“早熟”現(xiàn)象，而且提高了計算結(jié)果的精確性，取得了較為理想結(jié)果。即節(jié)省了材料、減輕了自重，又提高了閘門的整體安全度，獲得了可觀的工程效益和經(jīng)濟(jì)效益，為工程可行性研究和工程設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。 </p><p><b>　　1

6、工程概況 </b></p><p>　　某水電站采用河床式廠房，安裝3臺60MW立軸軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組，總裝機(jī)容量180MW。泄洪壩段由5個表孔、3個泄洪排沙中孔和1個左岸泄洪中孔組成。大汛期間中孔與表孔聯(lián)合運(yùn)行，用以泄洪。 </p><p>　　五個表孔每孔寬度14.0m，堰頂高程340.OOm，底坎高程339.657m，閘門尺寸為14 X 22.9m，最高擋水位按電站正常蓄水位

7、362.0m考慮，設(shè)計水頭22.40m 。 </p><p>　　作用在閘門上的荷載主要有水壓力、閘門自重、啟閉力、水封和支鉸處的摩阻力 </p><p>　　矩等。由于擋水高度大而寬高比較小，工作閘門采用八型三支臂主橫梁式弧形閘 </p><p>　　門，主橫梁采用同層布置。該鋼閘門采用16Mn鋼，彈性模量E=206GPa，泊松比a =0.3，質(zhì)量密度A=7.85

8、t/m3。其動力系數(shù)取為1-1.2(面板取1，次梁取1.05，主梁、支臂取1.2 )，面板內(nèi)緣曲率半徑為25m。啟閉設(shè)備采用雙吊點油壓式啟閉機(jī)，啟門力為2 X 2800kN，啟閉行程約11.5m。波浪壓力按淺水波和官廳水庫經(jīng)驗公式計算，重力加速度取g=9.81 m/s2。水封與水封座板摩擦系數(shù)為0.2；鉸軸與球面滑動軸承摩擦系數(shù)為0.12。 </p><p><b>　　2優(yōu)化目的 </b>

9、</p><p>　　表孔弧形工作閘門屬超大型閘門，電站下游水位較高，閘門運(yùn)行時存在淹沒出流工況，結(jié)構(gòu)和受力都十分復(fù)雜。為了保證閘門的安全性和經(jīng)濟(jì)性，有必要對弧形閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次全面深入的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。通過三維有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使各構(gòu)件既滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求，又能更充分合理地利用鋼材，趨于等強(qiáng)，而且能夠?qū)ΤＲ?guī)的平面體系計算成果進(jìn)行驗證，使該閘門的設(shè)計更加科學(xué)合理。 </p><p>

10、;<b>　　3計算工況 </b></p><p>　　弧形閘門優(yōu)化設(shè)計取工況為設(shè)計水頭下閉門工作狀態(tài)，其它工況(如設(shè)計水頭下啟門工況)在優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性校核驗算，驗證優(yōu)化方案的合理性。 </p><p>　　為了提高優(yōu)化效率，本文提出了閘門優(yōu)化設(shè)計的基本思想，即設(shè)計定型，優(yōu) </p><p>　　化定量，最后校核。即

11、在閘門設(shè)計階段根據(jù)既定條件選擇閘門的具體型式，以減少優(yōu)化設(shè)計中的優(yōu)化設(shè)計變量的數(shù)量，減少優(yōu)化問題的維數(shù)，提高優(yōu)化效率；在優(yōu)化設(shè)計過程中取對閘門工作狀況和自重關(guān)系較大的構(gòu)件的板材厚度作為待定量，在閘門正常洪水位閉門擋水工況下，用遺傳算法對其進(jìn)行優(yōu)化選優(yōu)；對于其它工況，則在優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行校核驗證。 </p><p>　　4弧形鋼閘門空間有限元模型的建立 </p><p>　　根據(jù)弧形閘門

12、結(jié)構(gòu)的受力特點，在ANSYS軟件中，閘門空間有限元模型采用 </p><p>　　三維殼單元SHELL63來模擬面板、主橫梁、主縱梁、支臂、褲權(quán)段及其它構(gòu)件中寬厚比較大的薄壁板材，在網(wǎng)格剖分中，為了保證計算精度，使用了四邊形網(wǎng)格；采用三維桿單元LINK8模擬吊桿和支臂間連接系撐桿等僅承受軸向拉壓作用的桿件；采用三維梁單元BEAM188模擬吊點銷軸等受彎構(gòu)件。 </p><p>　　由于在垂

13、直于水流的方向上，閘門結(jié)構(gòu)和作用在其上的荷載都是對稱的，所 </p><p>　　以為了節(jié)省計算資源和減少計算分析時間，取閘門的一半來進(jìn)行建模和分析計算，但需在對稱邊界上施加對稱約束。 </p><p>　　優(yōu)化設(shè)計工況取正常洪水位閉門擋水工況:上游水位362.OOm，下游無水。在此工況下不考慮支鉸摩阻力和水封摩阻力。約束條件為:門底的豎向位移、支鉸處支點三個方向的線位移以及對稱邊界上的對

14、稱約束。計算荷載為作用于面板上的水壓力(包括浪壓力)和閘門自重。 </p><p>　　模型中共有單元總數(shù)為18905，節(jié)點總數(shù)為18176，計算自由度總數(shù)為107825。 </p><p>　　5優(yōu)化模型的建立和優(yōu)化參數(shù)的選取 </p><p>　　弧形鋼閘門由板、梁、支臂等多種構(gòu)件組成，閘門自重取決于各構(gòu)件的體積 </p><p>　　之

15、和，而各構(gòu)件的體積又與其截面大小有關(guān)，它們受到強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定等方面的約束，所以閘門自重是一個與各構(gòu)件截面尺寸有關(guān)的函數(shù)。閘門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的就是要決定即要滿足所有約束條件又使閘門自重達(dá)到最小的那些設(shè)計變量的組合，因而使得對閘門整體的優(yōu)化問題具有多約束、多變量和非線性的特點，這對目標(biāo)函數(shù)的建立和優(yōu)化方法的選擇帶來很大的困難。因此選擇對目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量起決定性作用的參數(shù)作為設(shè)計變量是至關(guān)重要的。影響該水工弧形鋼閘門自重和工作性態(tài)的參數(shù)

16、主要有七個，它們分別是擋水面板上下兩部分的鋼板厚度R1和R33、主橫梁和豎梁的下翼緣板厚度R4、豎梁的腹板厚度R6、主橫梁的腹板厚度R7、支臂箱形截面梁的翼緣板厚度R15和支臂箱形截面梁的腹板厚度R18。故取優(yōu)化設(shè)計參數(shù)為:X=[x1，x2，…，x7]T =[R1,R4,R6,R7,R15,R18,R33]T，其初始值取設(shè)計空間中的隨機(jī)數(shù)。而閘門半徑、寬度和高度、材料容重、彈性模量、泊松比以及其它在優(yōu)化設(shè)計過程中不需改變的幾何參數(shù)作為預(yù)

17、賦參數(shù)。 </p><p>　　我國現(xiàn)行的鋼閘門設(shè)計規(guī)范仍然采用容許應(yīng)力方法進(jìn)行閘門的設(shè)計和計算，要求閘門結(jié)構(gòu)在任何情況下都必須保證其折算應(yīng)力不超過容許值。試驗表明，面板進(jìn)入彈塑性工作階段后，有很大的強(qiáng)度儲備，同時應(yīng)力控制點的范圍不大，具有局部應(yīng)力的性質(zhì)，故適當(dāng)提高容許應(yīng)力來進(jìn)行強(qiáng)度驗算是適宜的。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》(SL74-95)(以下簡稱《規(guī)范》)中關(guān)于鋼閘門容許應(yīng)力的規(guī)定以及委托單位的要求對

18、該閘門鋼材的容許應(yīng)力乘以0.9的調(diào)整系數(shù)。除此之外，由于在弧形閘門上，撓度過大會帶來很多問題，如:支座轉(zhuǎn)角大會影響閘門的運(yùn)轉(zhuǎn)和零件的磨耗損壞；止水不嚴(yán)密，引起閘門漏水，特別是當(dāng)閘門采用上游止水時，影響更大；撓度大意味著剛度小，在流水中工作的閘門可能產(chǎn)生較嚴(yán)重的振動。因此，閘門中受彎構(gòu)件的容許撓度，還應(yīng)滿足《規(guī)范》中的相關(guān)要求:最大撓度與計算跨度之比，主梁不超過1/600；次梁不超過1/250。 </p><p>

19、　　本文直接以工程所關(guān)心的強(qiáng)度、剛度及經(jīng)濟(jì)性為基礎(chǔ)定義適應(yīng)度函數(shù)來衡量 </p><p><b>　　優(yōu)化個體的優(yōu)劣。 </b></p><p>　　由于遺傳算法屬于無約束優(yōu)化方法，因而需采用懲罰函數(shù)法對上述目標(biāo)函數(shù) </p><p>　　作適當(dāng)變換，將有約束問題化為無約束問題，這里采用致死基因來懲罰超限的個體。 </p><

20、;p>　　優(yōu)化過程以初始群體作為迭代計算的初始條件，迭代過程結(jié)束的條件采取進(jìn) </p><p>　　化代數(shù)T和代數(shù)G來控制。取T= 61，G=0.1。 </p><p>　　在文中的優(yōu)化模型中，設(shè)計變量是離散型變量，因此采用最為常用的二進(jìn)制 </p><p>　　編碼比較方便且容易進(jìn)行遺傳操作，根據(jù)設(shè)計變量的取值范圍取每個設(shè)計變量的編碼長度為5，則每一個個體編

21、碼串長度為35。優(yōu)化過程本質(zhì)上是一個試算一修改的迭代過程。由于有關(guān)描述問題性態(tài)的約束值需通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析才能獲得，因此迭代次數(shù)的增加意味著重分析次數(shù)增多，分析所需機(jī)時與費用亦將急劇增大，所以進(jìn)化代數(shù)和種群規(guī)模不宜取得太大。文中取群體規(guī)模為popsize =30,交叉概率Pc=0.6，變異概率Pm =0.05，密集因子a=0.7，大變異概率a取0.25。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) <