基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法

摘要

本发明公开了基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法，包括以下步骤：步骤S1、确定弧形闸门的主框架结构参数X，X＝[x1,x2,...,x11]；步骤S2、构造弧形闸门的自重G(x)函数：步骤S3、优化函数：a、将x4限定为μx4，则G(x)转变为G’(x),b、在上式中添加惩罚因子，转变为适应度函数：步骤S4、利用粒子群算法对适应度函数进行求解，在满足弧形闸门的整体荷载要求下，得到弧形闸门的自重G(x)为最小值的最优结构参数。本发明具有保障闸门的安全运行、降低闸门质量造价的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水利水电学计算方法，特别是一种基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法。

背景技术

目前，弧形钢闸门因为其简便性、可靠性、安全性等特点，被广泛应用于各大水利工程中。闸门的安全运行和正常工作对整个水利枢纽来说至关重要。在以往的弧形闸门设计过程中，设计人员往往会用到较多的经验公式，且多处结构的尺寸设计是通过估算初始值，然后进行核算，最后根据核算的结果进行调整。用此方法设计出的闸门虽然能够满足多项应力应变标准，但在很多尺寸中会留下较大余量，导致钢材的浪费，增加了制造和运输的成本，并且在现场安装过程中不方便安装；且由于计算过程十分得繁琐，容易出现计算失误，影响最终设计尺寸，导致设计的弧形闸门无法应用；还可能会引起一些尺寸选取的过大或者不满足力学要求，影响弧形钢闸门的正常使用，无法保障闸门的安全运行，缩短其使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法。本发明具有保障闸门的安全运行、降低闸门质量造价的特点。

本发明的技术方案：基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法，包括以下步骤：

步骤S1、确定弧形闸门的主框架结构参数X，X＝[x

步骤S2、构造弧形闸门的自重G(x)函数：

步骤S3、优化函数：

a、将x

b、在上式中添加惩罚因子，转变为适应度函数：

步骤S4、利用粒子群算法对适应度函数进行求解，在满足弧形闸门的整体荷载要求下，得到弧形闸门的自重G(x)为最小值的结构参数。

前述的基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法中，所述步骤S1中，x

前述的基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法中，所述步骤S2中，ρ表示闸门所用钢材的密度；B1表示弧形闸门面板的有效受力值；B表示弧形闸门设计的挡水宽度；R表示弧形闸门面板的几何半径；φ

前述的基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法中，所述步骤S3的b中，M表示所添加的正数惩罚因子，g(x)为对设计变量的不等式约束。

前述的基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法中，所述步骤S4中的整体载荷要求包括强度要求、挠度要求、稳定性要求和几何要求。

前述的基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法中，所述强度要求包括支臂和主横梁的正应力σ

前述的基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法中，挠度要求中，主横梁的最大形变量f

前述的基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法中，稳定性要求中，主框架支臂的平面内的稳定性：

前述的基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法中，几何要求中，x

前述的基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法中，还包括对计算后的弧形闸门的最优结构参数进行整体荷载计算，得到优化后的弧形闸门荷载值。

与现有技术相比，本发明针对弧形闸门的结构、尺寸进行优化设计，设计得到的弧形闸门在满足整体载荷的要求下，整体质量和体积最小，大大节省了材料，降低闸门质量造价，具有更好的经济效益。

本发明在设计中，增加了优化变量调整系数，在保证了弧形闸门最小体积和质量下，整体载荷能力更强，闸门的使用安全性更高。可以使受力更合理；

由于主横梁腹板的尺寸对整个闸门的应力有着很大的影响，长时间运行后主横梁腹板的变形会加剧受力的应力集中，所以本申请特别针对主横梁腹板进行优化调整，可以应力集中现象，大大提高闸门的使用寿命。

本发明采用粒子群算法对各个参数进行计算，减少了计算次数，加快计算速度，提高计算效率和精确度。

因此，本发明具有保障闸门的安全运行、降低闸门质量造价的特点。

附图说明

图1是弧形闸门的工作结构示意图；

图2是弧形闸门的主框架结构示意图；

图3是适应度函数寻优结果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例：

一种基于改进加速粒子群APSO算法的弧形闸门计算方法，包括以下步骤：

步骤S1、确定弧形闸门的主框架结构参数X，结构参数X包括闸门面板、主横梁和支臂等各构件的尺寸，令各构件的尺寸设计变量为x

结构参数X共有十一个设计变量，式(1)中，x

步骤S2、根据弧形闸门的结构参数，构造弧形闸门的自重G(x)函数为：G(x)＝ρ×[G

式(2)是以弧形闸门的自重最小值为寻优目标，构造的弧形闸门优化设计目标函数。

其(2)中，G

将式(1)带入式(2)，得

式(3)中，B1表示弧形闸门面板的有效受力值；B表示弧形闸门设计的挡水宽度；R表示弧形闸门面板的几何半径；φ

步骤S3、优化函数：

a、将x

增加了调整系数μ，此为人工设定，即将上、下主横梁腹板厚度变量表示为μx

b、使用惩罚函数法将有约束的优化问题变为无约束条件的优化问题，添加惩罚因子将公式(4)转变为适应度函数：

式(5)中，M表示所添加的正数惩罚因子，其数值需取相当大，本程序中取10的15次方；g(x)为对设计变量的不等式约束。

步骤S4、利用粒子群算法对适应度函数进行求解，在满足弧形闸门的整体荷载要求下，得到弧形闸门的自重G(x)为最小值的最优结构参数。

步骤S5、对计算后的弧形闸门的最优结构参数进行整体荷载计算，得到优化后的弧形闸门荷载值。

整体荷载要求包括强度要求、挠度要求、稳定性要求、几何要求等；

(1)强度要求：

支臂和主横梁的应力限制均为：

正应力σ

剪切应力τ：

折算应力σ

式(6)-(8)中，N表示闸门水流方向压力；M表示主横梁或支臂的截面弯矩；A表示主横梁或支臂的截面面积；W表示主横梁或支臂弯曲截面系数；[σ]表示正应力核算容许值；Q表示作用在主横梁或支臂截面的剪力；S*表示主横梁或支臂各部分截面对中性轴的面积矩；I表示主横梁或支臂截面对中性轴的惯性矩；t表示各构件腹板厚度；[τ]表示剪应力核算容许值，σ

(2)挠度约束条件：由于主横梁受约束可近似为简支梁，其最大挠度变化处于跨中截面处；而对于支臂而言，其长细比λx和λy都应小于120，其中x，y方向如图1所示。

主横梁的最大形变量f

支臂的长细比：

λ

式(9)-(10)中，q表示主横梁所受均布荷载；b表示主横梁长度；c表示主横梁长度的有效值；E表示材料的弹性模量；

(3)稳定性约束条件：

由于主框架布置型式具有空间性，因此应对主框架支臂分别验算其在平面内、外的稳定性。

平面内的稳定性：

平面外的稳定性:

式(11)-(12)中，Φ

本例中只需验算支臂在平面范围内的稳定性。

(4)几何约束条件：由于弧形闸门的布置形式，需保证满足闸门主横梁前翼缘长度小于后翼缘长度，以符合闸门的实际构造，即表达式为：

x

具体操作时：

以某水库泄空洞弧形工作闸门为潜孔式单吊点弧形钢闸门为例，该闸门尺寸为2.800m×2.654m，面板半径为5.02m，支铰中心高程为108.000m，闸门底槛高程为104.800m，设计水头为54.000m，闸门启闭设备为一台额定容量螺杆式启闭机。闸门布置型式采用双主横梁同层型式，其支臂布置形式为直支臂，支铰为圆柱铰，板梁使用焊接件的结构尺寸。闸门的面板、主横梁、小横梁、纵梁和支臂等构件材料均采用Q235钢材，因此取密度为7850kg/m

闸门的初始参数为x

采用二进制编码对设计变量X＝[20,20,20,20,20,16,440,280,68,140,125]进行处理，迭代步数选取200步，其设计变量的上下限分别取闸门结构的经验几何范围内的合理值，带入公式(5)，粒子群算法经过45次迭代得出最优解，其适应度曲线如图3所示。

经计算，弧形闸门结构各构件的尺寸优化解以及原设计结果对比如表1所示，优化前闸门总重量为12.29t，优化后闸门总重量为10.28t，总重量减轻了2.01t，与原闸门主框架相比减轻了16.4％，优化效果明显。

表1各设计变量优化前后对比(mm)