基于拓扑优化理论的大跨度三支座水工弧形钢闸门设计研究

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1、分类号：TV663学校代码：10712研究生学号：2012050858UDC：626密级：公开@S；M：农林奇牧大学2015届攻读硕士学位研究生学位（毕业）论文基于拓扑优化理论的大跨度三支座水工弧形钢闸门设计研究学科专业水工结构工程研究方向水工结构优化设计研究生闫冬指导教师蔡坤副教授完成时间2015.5中国陕西杨凌研宄生学位（毕业）论文的独创性声明本人声明：所呈交的硕士学位（毕业）论文是我个人在导师指导下独立进行的研究工作及取得的研究结果：论文中的研究数据及结果的获得完全符合学校《关于规范西北农林

2、科技大学研究生学术道德的暂行规定》，如果违反此规定，一切后果与法律责任均由本人承担。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究结果，也不包含其他人和自己本人已获得西北农林科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同事对本研冗所做的任何贡献均已在论文的致谢中作了明确的说明并表示了谢意。导师指导研宄生学位（毕业）论文的承诺本人承诺：我的硕士研究生___所呈交的硕士学位（毕业）论文是在我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现岗职

3、务工作的结果，并严格按照学校《关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定》而获得的研究结果。如果违反学校《关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定》，我愿接受按学校有关规定的处罚处理并承担相应导师连带责任。关于研宄生学位（毕业）论文使用授权的说明本学位（毕论文的知识产权归属西北农林科技大学。本人同意西北农林科技大学保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；同意西北农林科技大学将本学位（毕ik)论文的全部或部分内容授权汇编录入《中国优秀硕士学位论文全文数

4、据库》进行出版，并享受相关权益。本人保证，在毕业离开（或者工作调离）西北农林科技大学后，发表或者使用本学位（毕业）论文及其相关的工作成果时，将以西北农林科技大学为第一署名单位，否则，愿意按《中华人民共和国著作权法》等有关规定接受处理并承担法律责任。任何收存和保管本论文各种版本的其他单位和个人(包括研究生本人)未经本论文作者的导师同意，不得有对本论文进行复制、修改、发行、出租、改编等侵犯著作权的行为，否則，按违背《中华人民共和国著作权法》等有关规定处理并追究法律责任。(保密的学位论文在保密期限内，不

5、得以任何方式发表、借阅、复印、缩印或扫描复制手段保存、汇编论文）Classificationcode:TV663Universitycode:10712UDC:626Postgraduatenumber:2012050858Confidentialitylevel:openThesisforMaster’sDegreeNorthwestA＆FUniversityin2015DESIGNOFHIGH-SPANHYDRAULICRADIALGATEWITHTHREESUPPORTSBYTOPOLOGY

6、OPTIMIZATIONMajor:HydraulicStructureEngineeringResearchfield:OptimalDesignofHydraulicStructuresNameofPostgraduate:DongYanAdviser:A/Prof.KunCaiDateofsubmission:May2015YanglingShaanxiChina基于拓扑优化理论的大跨度三支座水工弧形钢闸门设计研究摘要水工弧形钢闸门由于其封闭面积大，启闭方便，预埋件少，闸墩高度小等优点，被广

7、泛的应用于水工建筑物中。钢闸门的传统设计采用平面体系法或空间体系法，得到的钢闸门传力路径不够合理，造成结构自重过大，耗费大且不利于操作。此外，实际工程中很多钢闸门的破坏形式为结构失稳破坏，多归因于传统设计方法的不足。结构拓扑优化是一种最新结构优化理论，可应用于概念性结构设计。本文尝试给出一种新型的三支座大跨度水工弧门的设计方案：首先利用拓扑优化理论设计水工弧形钢闸门各支撑部件的最佳构型；其次，根据概念设计结果组装出水工弧形钢闸门整体模型；再次，利用尺寸优化技术，在保证弧形钢闸门变形、应力、自振频率

8、、屈曲因子等要求的前提下，降低结构自重；然后校核钢闸门设计在其他工况下是否满足应力、应变、自振频率、屈曲因子等参数要求，确保结构安全运行；最后利用Keyshot软件渲染得到三支座弧形钢闸门结构效果图。在整个设计过程采用数值模拟软件Hyperworks展开建模、优化及后处理。尤其，在拼装整体结构时采用焊接单元连接相邻构件，以确保结构刚度与实际结构刚度更为吻合。经尺寸优化后得到的三支座水工弧形钢闸门最大应力为279Mpa<345MPa，最大变形为19.3mm<20mm，一阶屈曲因子为1