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拓扑优化方法在重力坝设计中的应用研究

孙素敏  
【摘要】:尺寸优化和形状优化设计已经变得越来越成熟,而拓扑优化则渐渐成为结构优化设计的研究难点与热点问题。同时也成为当今世界上最具挑战性的研究课题。拓扑优化技术的本质是利用能量原理,求出给定条件下使结构刚度最大的最优材料分布模式,也就是结构的最理想的“传力路径”,从而实现减轻结构重量或优化结构的某些性能。 在结构设计时,如果一开始的概念设计阶段没有得到结构的最优拓扑形状,即使尺寸优化设计和形状设计做得再好,也不能得到结构的最优设计方案。因此,本文尝试着将拓扑优化理论应用到重力坝非溢流坝段的优化设计中来,目的是在重力坝非溢流坝段的概念设计阶段得到其最优的拓扑形式。本文的主要研究工作包括以下几个方面: (1)拓扑优化过程中的主要难题就是由于可行域的奇异性,在实际工程应用时,常常出现棋盘格式等数值问题。近年来,我国在建和拟建的重力坝形成了以实体重力坝为主的趋势,结合这个特点,本文对实体重力坝进行拓扑优化,优点是避免了刚度矩阵病态甚至奇异。 (2)以APDL和UIDL参数化语言为基础,结合ANSYS有限元软件中的拓扑优化功能,二次开发变密度法的拓扑优化程序。优化程序具有对优化结果进行拟合与应力校核的功能。 (3)用二次开发的变密度法拓扑优化程序对二维重力坝非溢流坝段进行优化,分别采用直线和曲线进行拟合,对拟合后的坝体重新求解,并对求得的结果进行比较。 (4)以APDL语言为基础,二次开发渐进结构拓扑优化方法的程序,对二维重力坝非溢流坝段进行优化,得到了与变密度法相近的结果,进一步验证了拓扑优化方法在重力坝优化中的可行性。


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