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基于SQP算法的支臂布置原则及其在弧门主框架结构改进中的应用

作　者: 雷旺成
导　师: 郑健
学　校: 兰州理工大学
专　业: 水利水电工程
关键词: SQP算法弧形钢闸门主框架支臂布置有限元法 ANSYS
分类号: TV663.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 27次
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内容摘要

弧形钢闸门由于构造特点而具有的独特优点，使其成为我国水工结构中最广泛采用的一种门型。由主梁和支臂组成的主框架是弧形钢闸门面板-梁格-主梁-支臂-支铰传力结构的核心部分，它的合理布置是整个弧形钢闸门结构安全性和经济性的最主要决定因素。目前弧形钢闸门结构的优化研究在弧门尺寸优化和附属件优化方面得到了很多成果，如梁格尺寸优化方面、连接件数量和尺寸优化方面、弦杆数量和布置优化方面等。可是单纯的尺寸优化并不是真正意义上的最优化，由这种优化方法得到的设计结构并不是最优结构。要得到最优化的结构，首先应当有最优化的布置，即尺寸优化应该建立在结构布置优化的基础上。但目前针对弧形钢闸门结构布置优化的研究工作还较少，特别是弧门主框架布置优化方面所做的工作更少。平面体系计算方法是一种经典的按结构力学和容许应力法进行分析和计算的弧形钢闸门设计计算方法。本文以平面体系计算方法入手，依据钢结构稳定理论和《钢结构设计规范》（GB50017-2003）建立了弧形钢闸门主框架布置优化模型，确定了目标函数和约束条件。然后介绍了基于最优化理论的SQP算法程序得到的弧形钢闸门支臂布置原则，并将其应用到弧门主框架结构的改进中。空间有限元法作为一种新兴的、更能反映弧形钢闸门整体受力状态和空间效应的设计计算方法，在有关弧形钢闸门问题的分析研究中得到了越来越多的应用。本文根据有关文献提出的弧形钢闸门支臂布置原则，对两个设计实例结构进行了主框架布置改进，运用ANSYS12.0软件建立四种结构的三维有限元模型并求解。通过对求解结果的对比与分析发现，主框架布置改进有效的改善了结构的受力状态，显著的增强了结构的强度和刚度，改进后的结构布置比原结构更合理，这说明所做的改进是必要和有效的。这就从空间体系计算方法的角度，验证了以平面体系计算方法为依据得出的弧形钢闸门支臂布置原则的合理性和可靠性。通过本文所做的工作，说明在弧形钢闸门的设计计算实践中有必要考虑孔口宽高比和总水压力对支臂布置的影响，以减小盲目性。

全文目录

目录  5-8
摘要  8-9
Abstract  9-11
第1章绪论  11-19
  1.1 闸门的发展概况  11-12
  1.2 弧形闸门的构造  12-14
    1.2.1 弧形钢闸门的结构特点  12-14
    1.2.2 弧形钢闸门的优点  14
  1.3 弧形钢闸门的设计计算方法  14-16
    1.3.1 平面体系方法  14-15
    1.3.2 空间体系方法  15-16
  1.4 研究现状及存在的问题  16-17
    1.4.1 研究现状  16-17
    1.4.2 目前存在的问题  17
  1.5 本文的主要工作及创新点  17-19
    1.5.1 本文的主要工作  17-18
    1.5.2 创新点  18-19
第2章 SQP 算法及弧门支臂最优布置原则  19-32
  2.1 最优化方法概述  19-21
    2.1.1 基本内容  19
    2.1.2 数学意义  19
    2.1.3 工作步骤  19-20
    2.1.4 求解方法  20
    2.1.5 最优化问题的数学模型  20-21
  2.2 SQP 算法简介  21-24
    2.2.1 SQP 算法的基本思想  21
    2.2.2 SQP 算法的主要内容  21-23
    2.2.3 SQP 方法的算法模型  23-24
  2.3 支臂布置优化模型的基本假定和目标函数  24-26
    2.3.1 压弯构件及其破坏形式  24-25
    2.3.2 优化模型的基本假定和简化  25-26
    2.3.3 优化模型的目标函数  26
  2.4 优化模型的约束条件  26-29
    2.4.1 整体稳定性约束  26-27
    2.4.2 局部稳定性约束  27-28
    2.4.3 强度约束  28
    2.4.4 刚度约束  28-29
    2.4.5 截面要素约束  29
  2.5 弧形钢闸门支臂布置原则  29-31
  2.6 本章小结  31-32
第3章有限元基本理论及 ANSYS 软件  32-46
  3.1 有限单元法基本原理  32-34
    3.1.1 有限单元法的基本思想  32
    3.1.2 有限单元法求解问题的主要步骤  32-33
    3.1.3 有限单元法的优点  33-34
  3.2 薄板有限元法概述  34-37
    3.2.1 基本假定  34-35
    3.2.2 位移函数  35
    3.2.3 单元形函数  35-36
    3.2.4 单元刚度矩阵  36-37
  3.3 ANSYS 软件简介  37-44
    3.3.1 ANSYS 软件主要功能  38-39
    3.3.2 ANSYS 软件的基本组成  39-40
    3.3.3 ANSYS 软件的特点  40
    3.3.4 前处理（Preprocessor）  40-42
    3.3.5 求解（Solution）  42
    3.3.6 后处理（General Postproc ）  42-43
    3.3.7 ANSYS 软件结构分析的主要单元类型  43-44
  3.4 本章小结  44-46
第4章大孔口宽高比设计实例的结构改进  46-56
  4.1 设计方案的改进  46-47
    4.1.1 原设计方案的基本资料  46-47
    4.1.2 设计方案的改进  47
  4.2 建模与求解  47-48
    4.2.1 基本参数  47
    4.2.2 三维有限元模型的建立  47-48
    4.2.3 加载与求解  48
  4.3 结果对比与分析  48-55
    4.3.1 主梁应力对比  48-51
    4.3.2 支臂应力对比  51-53
    4.3.3 刚度对比  53-55
  4.4 对比结论  55
  4.5 本章小结  55-56
第5章小孔口宽高比设计实例的结构改进  56-68
  5.1 设计方案的改进  56
    5.1.1 原设计方案的基本资料  56
    5.1.2 设计方案的改进  56
  5.2 建模与求解  56-58
    5.2.1 基本参数  56
    5.2.2 三维有限元模型的建立  56-57
    5.2.3 加载与求解  57-58
  5.3 结果对比  58-66
    5.3.1 主梁应力对比  58-62
    5.3.2 支臂应力对比  62-64
    5.3.3 刚度对比  64-66
  5.4 对比结论  66-67
    5.4.1 强度对比方面  66-67
    5.4.2 刚度对比方面  67
  5.5 本章小结  67-68
结论与展望  68-70
  1 本文工作的总结  68
  2 进一步工作的展望  68-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
附录 A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）  75

基于SQP算法的支臂布置原则及其在弧门主框架结构改进中的应用

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