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偏心铰弧形闸门静动力分析与结构优化研究

钱声源  
【摘要】:偏心铰弧形闸门主要是用于高水头的新型闸门,由于技术难度大,可借鉴的分析资料很少,设计人员在对其进行结构设计和分析计算时会遇到许多难题。闸门设计的主要方法是将各构件简化成平面杆件,采用结构力学方法计算,但这种方法不能反映出闸门的空间整体工作性能。本文基于大型通用软件ANSYS,结合实际工程九甸峡偏心铰弧形闸门所涉及的关键问题,分析了偏心铰弧形闸门的受力特点和工作方式,建立了三维结构仿真模型,并对弧形闸门进行静、动力分析和优化设计研究。具体内容如下: 1.研究选择了基于ANSYS的能反映闸门各构件真实工作状态的单元模式,根据偏心铰弧形闸门的受力特点和工作方式,提出了偏心铰弧形闸门的三维结构有限元模型。 2.介绍了动力有限元的基本理论方程,根据结构和水体动力相互作用的原理,建立了水体和闸门耦合作用求解方程,研究了ANSYS的二次开发技术,利用ANSYS参数化设计语言(APDL)编制了基于ANSYS的动水压力附加质量求解程序。 3.根据九甸峡偏心铰弧形闸门的工作特点,利用本文提出的偏心铰弧形闸门的建模方法,建立其精细有限元模型,并进行了静、动力仿真计算。分析了不同荷载工况下结构的应力、应变的规律及其在不同开度、不同水位下的闸门的振动特性,并对弧门的强度和刚度进行校核,提出一些有益建议。 4.针对弧形闸门流激振动控制研究现状,运用ANSYS中的随机振动理论,对作用于弧形闸门上的水流脉动压力进行模拟,并对其进行流激振动反应分析。 5.基于ANSYS,提出了将遗传算法应用于闸门体型结构优化的计算方法,编制相应程序,并进行实例验证。最后,将提出的优化方法应用到九甸峡弧形闸门中,优化了闸门主要构件的几何尺寸,计算结果表明,优化后的强度、刚度都能满足规范要求,符合一般规律,研究成果对设计具有一定参考价值。


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