卵形消化池内力分析及基于遗传算法的形状优化

摘要

相对于传统形式的圆柱形消化池，卵形消化池受力性能好，其形状特征更符合环境工程技术流程的需求，因而日益在城市污水处理项目中受到青睐。卵形消化池虽已在多个国家成功建造，但国内目前仍缺乏对卵形消化池进行详尽而系统的理论分析与研究。 本文首先在经典弹性薄壳理论基础上，以上下锥壳与中部卵形壳的组合壳体为研究对象，根据其几何特征为后续的优化工作定义了五个设计变量，建立以静水压力为主要荷载、池体厚度为常量、支撑连续对称分布于池底的卵形消化池计算模型。运用经典薄壳理论中的薄膜理论计算卵形消化池模型的内力和变形，分析薄膜内力随参数的变化规律。依据变形协调条件运用薄壳理论中的弯曲理论计算组合壳体中壳体连接处和固定支撑附近的弯曲作用下内力和变形，叠加薄膜应力计算壳体总应力。通过算例将其与有限元软件ANSYS计算结果进行了比较与分析，并对山东省济宁市南郊污水处理厂卵形消化池实际工程进行了内力计算。 本文在综合分析以上结果后，以计算所得的薄膜内力为基础，建立以体表面积为目标函数，以容积、高度，内力等为约束条件的优化模型。使用遗传算法对济宁市卵形消化池进行优化，并引进动态罚函数和对约束条件不断逼近的方法处理约束条件。从而为初步结构设计中卵形消化池形状的确定提供了参考和建议。

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第一章绪论

1.1卵形消化池应用现状

1.2相关工作的研究现状

1.2.1旋转壳研究现状

1.2.2卵形消化池内力分析研究现状

1.2.3优化方法的研究现状

1.3本文的主要工作

第二章卵形消化池的薄膜内力

2.1旋转壳

2.1.1承受轴对称载荷的旋转壳薄膜内力

2.1.2承受轴对称载荷的旋转壳变形

2.2卵形消化池的计算模型

2.2.1计算模型

2.2.2计算假定

2.3池体薄膜内力与无弯曲变形计算

2.3.1池体薄膜内力计算

2.3.2池体无弯曲变形

2.4算例分析

算例2-1 与数值计算比较

算例2-2

第三章卵形消化池的弯曲问题

3.1弯曲问题的平衡方程

3.2截锥形壳的弯曲问题

3.2.1截锥形壳弯曲问题的一般表达式

3.2.2截锥形壳下边缘的边界条件

3.3中部卵形壳的弯曲问题

3.3.1中部卵形壳弯曲问题的一般表达式

3.3.2中部卵形壳上边缘的边界条件

3.3.3中部卵形壳下边缘固定时的边界条件

3.4边缘弯曲作用力的求解

3.5池体总应力

3.6算例分析

算例3-1 与数值计算比较及弯曲作用影响分析

算例3-2

第四章基于遗传算法的卵形消化池形状优化

4.1遗传算法

4.1.1引言

4.1.2遗传算法的一般结构

4.2基于罚函数的有约束遗传优化

4.3卵形消化池的形状优化及算例

第五章结论与建议

5.1结论

5.2建议

参考文献

发表论文

致谢