基于APDL的叉梯式景观闸门结构计算与遗传优化

摘要

随着生态城市的提出，人们环境保护与审美观念的增强，我国蓬勃发展的水利水电事业也迈进新阶段，各种省时、省料、美观、环保的水工闸门相继诞生，在对我国各种各样闸门的结构、类型、特点进行研究、分析、比较的基础上，研究人员提出一种新型的闸门机构—叉梯式景观闸门。该闸门系统主要由平板钢闸门、门后支架、闸门支铰、与卷扬机连通的启闭设备、止水、门间连环扣件、滚轮以及滚轮轨道等构成。与普通闸门比较，该闸门具有结构简单，制造、安装、维修方便，启闭灵活，工程造价低，美观大方，易与周边环境相协调等优点。叉梯式景观闸门门叶结构由门后支架支撑，为点支撑形式，由于不用嵌固于内槽，故结构柔性较大，且相应的设计规范与计算方法尚不成熟，而传统的设计方法往往忽略结构的整体性和空间结构特点，使得设计结果在一些地方过于保守，而在一些关键部位又安全裕度不足，从而严重的制约了新闸门的推广与应用，本文将采用C++语言、遗传算法、有限元软件ANSYS及其参数化设计语言APDL对闸门进行结构计算与优化设计，具体研究内容如下:
　　 在大量阅读相关文献资料的基础上，叙述了叉梯式景观闸门提出背景，分析了闸门运行原理，并建立了闸门的受力平衡方程，详细叙述门叶和门后支架结构设计与布置，启闭装置类型与选择，并给出了闸门开启、持住和关闭时的启闭机力。
　　 建立了基于ANSYS的三维结构分析模型，计算门叶面板、主梁、次梁和斜梁的应力与变形情况，并校核门叶的强度和刚度。
　　 提出基于参数化设计语言APDL的叉梯式景观闸门的遗传优化，通过C++编写遗传算法程序，每次循环均由system函数调用批文件打开ANSYS完成结构计算并返回主函数需要的参数，最终完成闸门结构优化，采用标准二进制编码，提出精度的概念解决离散变量与连续变量混合编码的问题，构造适应度函数，由罚函数法将有约束优化问题转化为无约束优化，优化后得到新的面板厚度、梁系尺寸与支铰水平位置。
　　 最后，总结了本文的研究工作，在研究成果的基础上对今后的研究工作进行了展望。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 翻版闸门的发展概况

1．2 闸门结构优化设计研究现状

1．3 本文的研究的意义

1．4 研究的技术路线

1．5 本文的主要研究内容

2 叉梯式景观闸门的工作原理及结构设计

2．1 叉梯式景观闸门概念的提出

2．2 叉梯式景观闸门的工作原理及受力分析

2．2．1 工作原理

2．2．2 受力分析

2．3 叉梯式景观闸门结构设计

2．3．1 门叶结构设计

2．3．2 支架结构设计

2．3．3 启闭设备设计

2．4 小结

3 基于ANSYS的叉梯式景观闸门门叶结构分析计算

3．1 有限元法简介

3．1．1 有限元法的发展及现状

3．1．2 有限元方法求解步骤

3．1．3 有限元方法求解闸门的基本原理

3．2 ANSYS软件简介

3．2．1 ANSYS技术特点

3．2．2 ANSYS主要功能模块

3．2．3 ANSYS参数化设计语言APDL

3．3 基于ANSYS的叉梯式景观闸门门叶结构计算

3．3．1 叉梯式景观闸门门叶尺寸

3．3．2 参数定义及实体建模

3．3．3 网格划分

3．3．4 约束处理

3．3．5 应力分析

3．4 小结

4 基于APDL的叉梯式景观闸门结构遗传优化

4．1 结构优化设计的数学模型

4．1．1 设计变量

4．1．2 约束条件

4．1．3 目标函数

4．1．4 数学模型

4．2 优化设计方法及程序介绍

4．2．1 遗传算法简介

4．2．2 遗传算法特点

4．2．3 遗传算法流程

4．3 叉梯式景观闸门门叶优化设计

4．3．1 门叶优化的数学模型

4．3．2 约束条件的处理

4．3．3 APDL与GA混合编程优化系统

4．3．4 优化结果及分析

4．4 小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文

作者简介

致谢