对拉式锚固竖井预应力闸墩优化研究

摘要

随着水利事业的发展，高坝水电站在水利工程中发展迅速，其泄水建筑物的工作水头、尺寸也愈来愈大，导致弧门承受较大的推力，为满足混凝土结构承载力极限状态要求，预应力技术的推广遂成必然。本文以某水电工程的对拉式锚固竖井预应力闸墩为研究载体，采用ANSYS软件的APDL参数化设计语言建立预应力闸墩参数化整体模型，研究在正常运行工况（两侧弧门正常挡水）与检修工况（左侧检修门挡水，右侧弧门正常挡水）下锚固竖井关键部位的应力分布；采用子模型分析技术，建立锚固竖井参数化子模型，优化锚固竖井尺寸，研究锚固竖井关键部位各向应力的变化。本文将子模型法与参数化建模优化尺寸技术相结合，为类似大体积复杂模型的局部结构尺寸优化提供参考。本文主要研究内容如下： （1）预应力闸墩整体三维有限元分析。利用APDL参数化设计语言对锚固竖井的几何尺寸进行参数化设置，建立对拉式锚固竖井预应力闸墩参数化有限元模型，分析在正常运行与检修工况下，锚固竖井顶面、底面以及上下游面的X、Y、Z三个方向应力的分布规律。由于预应力作用，锚固竖井各关键部位的Y、Z向应力均较大，且Y、Z向最大拉应力分别出现在下游面与下游折坡面相交处、下游折坡面与底面相交处，导致该部位应力较大的原因，一方面是存在一定的应力集中，另一方面受锚固竖井几何尺寸的影响。因此本文对锚固竖井的尺寸进行优化，以降低最大拉应力值。 （2）子模型技术可行性分析研究。采用ANSYS软件的优化模块对锚固竖井尺寸实现优化，利用整体模型对局部结构实现优化难以完成，本文采用子模型技术，建立锚固竖井参数化子模型。针对子模型选取合理的切割边界，并利用锚固竖井参数化子模型与整体模型在切割边界上各节点的X、Y、Z向的应力对比验证切割边界的合理性。研究结果表明，锚固竖井子模型与预应力闸墩整体模型在切割边界上的各向应力基本相同，并对锚固竖井子模型关键部位的各向应力与整体模型相对应部位的应力进行比对，发现基本吻合，由此得出锚固竖井参数化子模型的切割边界选取合理。 （3）预应力闸墩锚固竖井优化研究。锚固竖井尺寸优化以参数化子模型为载体，以正常运行工况为例，提取锚固竖井在正常运行工况下Z向最大应力为目标函数，以锚固竖井的体积为约束变量，采用零阶优化，对锚固竖井的参数尺寸实现优化，得到最优设计序列。将该组数据进行整理，代入锚固竖井尺寸参数设置预应力闸墩整体模型中，计算在正常运行与检修工况下，各向应力分布。计算结果表明，优化后的尺寸，主要降低了Y、Z向应力，正常运行工况，Y、Z向应力分别降低了0.6MPa、1.1MPa，检修工况，Y向应力变化不大，Z向应力也降低了1.1MPa。 结合工程实例，本文综合运用ANSYS软件的参数化语言APDL、子模型技术及结构优化分析模块，对预应力闸墩的锚固竖井结构进行尺寸优化，得到锚固竖井相对最优的尺寸，为该类工程锚固竖井尺寸设计提供依据。与此同时，本文将子模型技术与结构优化设计紧密地结合，实现了锚固竖井局部结构的参数化建模、加载、计算及优化全过程。该技术极大地降低了设计员的工作量，增强了优化结果的准确性，对复杂工程的局部结构尺寸优化设计具有较高的参考价值。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 预应力锚固技术的发展

1.2.2 预应力闸墩的发展

1.2.3 预应力闸墩的研究现状

1.3 本文研究内容及技术路线

1.3.1 本文主要研究内容

1.3.2 本文的技术路线

2 对拉式锚固竖井预应力闸墩有限元计算

2.1 有限元基本理论

2.1.1 有限元法的概述

2.1.2 ANSYS软件简介

2.2 参数化建模理论

2.2.1 APDL参数化语言简介

2.2.2 参数的命名与定义

2.2.3 APDL参数化建模步骤

2.3预应力闸墩参数化整体模型有限元计算

2.3.1 工程简介

2.3.2 预应力闸墩锚固竖井主要几何参数

2.3.3 预应力闸墩参数化模型建立

2.4 预应力闸墩计算分析

2.4.1 计算工况及荷载组合

2.4.2 计算基本假定与边界条件

2.4.3 计算结果及分析

2.5 本章小结

3 锚固竖井参数化子模型的建立与计算分析

3.1 参数化子模型

3.1.1 子模型概述及机理

3.1.2 参数化子模型设计步骤

3.2 锚固竖井参数子模型建立

3.2.1 锚固竖井子模型的提出

3.2.2 参数子模型创建

3.2.3 子模型边界位移插值

3.3 验证切割边界选取的合理性

3.4 竖井主要部位应力变形分析

3.4.1 锚固竖井子模型位移分析

3.4.2 锚固竖井子模型应力分析

3.5 本章小结

4 锚固竖井参数化子模型优化设计

4.1 结构优化设计理论

4.1.1 优化设计概述

4.1.2 优化设计的数学模型

4.2 ANSYS的优化设计

4.2.1 结构参数优化原理

4.2.2 ANSYS优化算法

4.2.3 APDL化优化设计步骤

4.3 锚固竖井结构优化设计

4.3.1 优化锚固竖井参数化子模型

4.3.2 优化计算结果

4.4 验证优化结果

4.4.1 锚固竖井顶面应力分析

4.4.2 锚固竖井下游面应力分析

4.4.3 锚固竖井底面应力分析

4.4.4 锚固竖井上游面应力分析

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果