闸门的优化设计

李凡鑫 杨再银 亓传周

摘 要：本文首先介绍了工程概况和优化目的，然后分析了计算工况和弧形钢闸门空间有限元模型的建立，最后指出了优化模型的建立和优化参数的选取。

关键词：闸门；优化设计

在结构设计中，引入最优化方法是20世纪60年代初的事，而闸门结构最优设计的研究则更晚，其原因主要是由于设计变量个数相当多，需要大容量的计算机和很多的运算时间。随后，仿生算法的出现使大型复杂结构的最优化设计成为可能，其中尤以遗传算法应用最为广泛。遗传算法是一种使用了群体搜索技术的自适应概率全局优化的搜索算法，该算法具有较强的鲁棒性，适于求解各种不同类型的复杂优化问题。但是在小群体规模时该算法存在“早熟”现象，容易过早地收敛于局部最优解，而且遗传操作容易将优良的个体遗弃，使优化效率降低。另外，对于结构比较复杂或者需要修改的地方很多的优化问题，优化的时间比较长，其中计算时间相对较少，建模和结构修改所占比重较大。在结构的优化设计中，有限单元法是一个比较有效的方法。通常，建立模型和模型的修改都是手工完成的，能够有效地减少建模和结构修改的时间，提高结构优化效率。

到目前为止，国内已经有很多闸门三维有限元分析的实例，同时也积累了不少结构优化的经验，但是将最优化算法运用到闸门的整体三维有限元分析计算中似乎还没有先例。基于有限元方法在结构分析中的先进型和遗传算法在结构优化设计中的优越性，本文在现有的理论和实践基础上，采用了适应度尺度变换、最优保留策略和自适应概率的大变异操作等改进措施的小生境遗传算法，对标准的遗传算法进行了某些改进，改善了其收敛速度和计算稳定性。并且以大型有限元软件ANSYS为工作平台，利用APDL语言自主开发了一套遗传算法优化程序，利用新的遗传算法从空间的角度对某超大型弧形钢闸门进行了有限元结构优化设计，通过程序自动实现建模和优化过程，实现了有限元方法和遗传算法的有机结合。不仅改善了遗传算法在小群体规模时容易出现的“早熟”现象，而且提高了计算结果的精确性，取得了较为理想结果。即节省了材料、减轻了自重，又提高了闸门的整体安全度，获得了可观的工程效益和经济效益，为工程可行性研究和工程设计提供了可靠的依据。

1工程概况

某水电站采用河床式厂房，安装3台60MW立轴轴流转浆式机组，总装机容量180MW。泄洪坝段由5个表孔、3个泄洪排沙中孔和1个左岸泄洪中孔组成。大汛期间中孔与表孔联合运行，用以泄洪。

五个表孔每孔宽度14.0m，堰顶高程340.OOm，底坎高程339.657m，闸门尺寸为14 X 22.9m，最高挡水位按电站正常蓄水位362.0m考虑，设计水头22.40m。

作用在闸门上的荷载主要有水压力、闸门自重、启闭力、水封和支铰处的摩阻力

矩等。由于挡水高度大而宽高比较小，工作闸门采用八型三支臂主横梁式弧形闸

门，主横梁采用同层布置。该钢闸门采用16Mn钢，弹性模量E=206GPa，泊松比a =0.3，质量密度A=7.85t/m3。其动力系数取为1-1.2（面板取1，次梁取1.05，主梁、支臂取1.2），面板内缘曲率半径为25m。启闭设备采用双吊点油压式启闭机，启门力为2 X 2800kN，启闭行程约11.5m。波浪压力按浅水波和官厅水库经验公式计算，重力加速度取g=9.81 m/s2。水封与水封座板摩擦系数为0.2；铰轴与球面滑动轴承摩擦系数为0.12。

2优化目的

表孔弧形工作闸门属超大型闸门，电站下游水位较高，闸门运行时存在淹没出流工况，结构和受力都十分复杂。为了保证闸门的安全性和经济性，有必要对弧形闸门结构进行一次全面深入的结构优化设计。通过三维有限元结构优化设计，使各构件既满足强度、刚度及稳定性要求，又能更充分合理地利用钢材，趋于等强，而且能够对常规的平面体系计算成果进行验证，使该闸门的设计更加科学合理。

3计算工况

弧形闸门优化设计取工况为设计水头下闭门工作状态，其它工况（如设计水头下启门工况）在优化设计结果的基础上进行强度、刚度及稳定性校核验算，验证优化方案的合理性。

为了提高优化效率，本文提出了闸门优化设计的基本思想，即设计定型，优

化定量，最后校核。即在闸门设计阶段根据既定条件选择闸门的具体型式，以减少优化设计中的优化设计变量的数量，减少优化问题的维数，提高优化效率；在优化设计过程中取对闸门工作状况和自重关系较大的构件的板材厚度作为待定量，在闸门正常洪水位闭门挡水工况下，用遗传算法对其进行优化选优；对于其它工况，则在优化结果的基础上进行校核验证。

4弧形钢闸门空间有限元模型的建立

根据弧形闸门结构的受力特点，在ANSYS软件中，闸门空间有限元模型采用

三维壳单元SHELL63来模拟面板、主横梁、主纵梁、支臂、裤权段及其它构件中宽厚比较大的薄壁板材，在网格剖分中，为了保证计算精度，使用了四边形网格；采用三维杆单元LINK8模拟吊杆和支臂间连接系撑杆等仅承受轴向拉压作用的杆件；采用三维梁单元BEAM188模拟吊点销轴等受弯构件。

由于在垂直于水流的方向上，闸门结构和作用在其上的荷载都是对称的，所

以为了节省计算资源和减少计算分析时间，取闸门的一半来进行建模和分析计算，但需在对称边界上施加对称约束。

优化设计工况取正常洪水位闭门挡水工况：上游水位362.OOm，下游无水。在此工况下不考虑支铰摩阻力和水封摩阻力。约束條件为：门底的竖向位移、支铰处支点三个方向的线位移以及对称边界上的对称约束。计算荷载为作用于面板上的水压力（包括浪压力）和闸门自重。

模型中共有单元总数为18905，节点总数为18176，计算自由度总数为107825。

5优化模型的建立和优化参数的选取

弧形钢闸门由板、梁、支臂等多种构件组成，闸门自重取决于各构件的体积

之和，而各构件的体积又与其截面大小有关，它们受到强度、刚度和稳定等方面的约束，所以闸门自重是一个与各构件截面尺寸有关的函数。闸门结构优化设计的目的就是要决定即要满足所有约束条件又使闸门自重达到最小的那些设计变量的组合，因而使得对闸门整体的优化问题具有多约束、多变量和非线性的特点，这对目标函数的建立和优化方法的选择带来很大的困难。因此选择对目标函数和状态变量起决定性作用的参数作为设计变量是至关重要的。影响该水工弧形钢闸门自重和工作性态的参数主要有七个，它们分别是挡水面板上下两部分的钢板厚度R1和R33、主横梁和竖梁的下翼缘板厚度R4、竖梁的腹板厚度R6、主横梁的腹板厚度R7、支臂箱形截面梁的翼缘板厚度R15和支臂箱形截面梁的腹板厚度R18。故取优化设计参数为：X=[x1，x2，…，x7]T =[R1，R4，R6，R7，R15，R18，R33]T，其初始值取设计空间中的随机数。而闸门半径、宽度和高度、材料容重、弹性模量、泊松比以及其它在优化设计过程中不需改变的几何参数作为预赋参数。

我国现行的钢闸门设计规范仍然采用容许应力方法进行闸门的设计和计算，要求闸门结构在任何情况下都必须保证其折算应力不超过容许值。试验表明，面板进入弹塑性工作阶段后，有很大的强度储备，同时应力控制点的范围不大，具有局部应力的性质，故适当提高容许应力来进行强度验算是适宜的。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）（以下简称《规范》）中关于钢闸门容许应力的规定以及委托单位的要求对该闸门钢材的容许应力乘以0.9的调整系数。除此之外，由于在弧形闸门上，挠度过大会带来很多问题，如：支座转角大会影响闸门的运转和零件的磨耗损坏；止水不严密，引起闸门漏水，特别是当闸门采用上游止水时，影响更大；挠度大意味着刚度小，在流水中工作的閘门可能产生较严重的振动。因此，闸门中受弯构件的容许挠度，还应满足《规范》中的相关要求：最大挠度与计算跨度之比，主梁不超过1/600；次梁不超过1/250。

参考文献

[1]钱令希.工程结构优化设计[M].北京：科学出版社，2011.

[2]梁醒培.基于有限元法的结构优化设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]李旭东，彭晓平.拓扑优化理论在二维深孔弧形闸门设计中的应用研究[J].西北水电，2008（3）

（作者单位：山东省菏泽市郓城县黄河河务局）