一種基于特征參量的弧形鋼閘門優化設計方法
【專利摘要】一種基于特征參量的弧形鋼閘門優化設計方法，包括以下步驟：（1）對弧形鋼閘門的各部分構件進行有限元模擬單元選取；（2）模擬水壓力對弧形鋼閘門的動力特性影響；（3）對弧形鋼閘門進行靈敏度分析；（4）得出對結構特征參量影響最為顯著的結構參數。本發明通過對結構參量靈敏度分析，提出最有效改變頻率和振型的結構參量，在弧形鋼閘門造價增加合理的情況下，調整弧形鋼閘門質量和剛度分布，使弧形鋼閘門低階頻率遠離流激荷載高能量聚集區域，使結構整體變形以延性變形為主，更好發揮鋼材料的力學性能。
【專利說明】
-種基于特征參量的弧形鋼闡口優化設計方法
技術領域
[0001] 本發明屬于水利工程中結構動力參量控制技術領域，尤其設及一種基于特征參量 的弧形鋼閩口優化設計方法。
【背景技術】
[0002] 結構的頻率和振型由結構的質量和剛度所決定，且僅與結構的材料特性和幾何尺 寸有關，是結構的固有特征參量。結構的頻率向量表征了結構總體分布剛度與總體分布質 量之間的絕對比值關系;結構的振型向量表征了結構局部分布剛度與局部分布質量之間的 相對比值關系。振型向量分量的階次表述了在外界環境作用下，結構最易產生的分解反應 類型的順序。
[0003] 弧形鋼閩口 W其輕盈的結構形式、合理的受力性能W及啟閉力小等優點，在水工 結構中得到廣泛應用。但是弧形鋼閩口的流激振動問題較為突出，因流激振動造成破壞在 國內外水工結構中時有發生。閩口流激振動由水動力荷載特點和閩口振動特性決定，當水 動力荷載無法改變時，優化閩口的動力特性成為唯一選擇。如何避免鋼閩口發生流激破壞， 充分發揮鋼閩口的優勢特點，科研人員提出了不同的解決方案。
[0004] 縱觀弧形鋼閩口的破壞性態，大部分是由于支臂發生振動過大，造成支臂動力失 穩，或荷載效應超過材料強度，進而發生破壞。調諧質量阻尼(TMD)減振僅對某一階共振頻 率減振效果顯著，因鋼閩口一般在水下工作，頻率受水頭和水深的影響，故TMD減震效果較 差D
【發明內容】
[0005] 本發明為了解決現有技術中的不足之處，提供一種無需添加減振裝置，僅通過調 整鋼閩口結構質量和剛度分布，W實現降低流激振動響應的基于特征參量的弧形鋼閩口優 化設計方法。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：一種基于特征參量的弧形鋼閩 口優化設計方法，所述的弧形鋼閩口包括弧形面板、兩根吊桿和兩個支臂，弧形面板后表面 沿其高度方向均勻間隔設有若干橫梁，每根橫梁均沿左右水平方向設置，弧形面板后表面 沿其寬度方向均勻間隔設有若干縱梁，每根縱梁均呈弧形結構且與弧形面板的弧度相同， 兩根吊桿傾斜設置并相互平行，兩根吊桿的一端分別與弧形面板的后表面連接，每個支臂 均包括上懸臂和下懸臂，上懸臂和下懸臂之間設有腹桿;包括W下步驟： (1)對弧形鋼閩口的各部分構件進行有限元模擬單元選取，弧形面板選用殼單元模擬 受力狀態，支臂、橫梁和縱梁選用梁單元模擬，吊桿選用桿單元模擬，對弧形鋼閩口進行動 力學特性分析； (2 )采用We St ergaard法計算水的等效質量，模擬水壓力對弧形鋼閩口的動力特性影 響； (3)基于大型有限元分析軟件ANSYS，采用Block Lanczos方法計算弧形鋼閩口的頻率 和振型，即弧形鋼閩口的結構特征參量;依次調整弧形面板、橫梁、縱梁、支臂及吊桿的結構 參量，分別對弧形鋼閩口進行結構參量的靈敏度分析； (4)根據步驟(3)對弧形鋼閩口結構參量的靈敏度分析，并根據計算得出的弧形鋼閩口 的結構特征參量，得出對所述的結構特征參量影響最為顯著的結構參量； 巧)根據得出的最為顯著的結構參量對弧形鋼閩口進行優化設計。
[0007]步驟(1)中，對弧形鋼閩口的動力學特性分析采用的公式為：
， 式中，和發分別為質量、阻尼和剛度的矩陣；益、遙和S分別為位移、速度和加速度； /錢為流激荷載。
[000引步驟（2)中通過Westergaard法計算水的等效質量，等效質量計算式為：
，其中巧為水的密度，歲為水深，龍為庫水水頭;模擬的水壓力施加于弧形面板 的法線方向上。
[0009] 步驟(3)中，對弧形面板的結構參量調整主要是對弧形面板厚度的改變;對橫梁、 縱梁和吊桿的結構參量調整主要是其截面尺寸改變;對支臂的結構參量調整包括結構尺寸 的改變和腹桿數量及位置的改變。
[0010] 步驟(3)中弧形鋼閩口結構參量的靈敏度分析采用的公式為
，其中禹 為未改變弧形鋼閩口構件的結構參量所得頻率；/;為分別改變弧形面板、吊桿和支臂的結 構參量而得到的頻率值;;漆為計算靈敏度系數。
[0011] 步驟巧）的優化設計得到支臂截面尺寸的改變和腹桿數量及位置的改變是弧形鋼 閩口頻率靈敏度最高的參數;最后對支臂截面尺寸和腹桿數量及位置進行調整，推遲不利 振型在弧形鋼閩口整體振動中出現的順序，降低不利振型在結構整體變形中所占的比重， 使結構整體變形W延性變形為主； 其對應的動力學特性分析采用的公式修改為：
如、C和X分別為質量、阻尼和剛度的矩陣。；、訂M分別為位移、速度和加速度；A#、A C 、A J分別為改變弧形鋼閩口結構參量引起的質量、阻尼和剛度的改變量值；/巧為流激荷 載值； 令
，則動力學方程 寫出狀態方程形式為
；為了簡化計算，引入常數等式《錢=;:1；，將積分運算 轉化為代數運算;動力學方程可表示為
； 再令:；
則方程可表示為：
方程的解為：
；傳遞矩陣穿轉^的表達式為；
其中f為離 散時間步長;根據方程的解得出弧形鋼閩口分別在徑向、切向及側向的位移、速度及加速 度。
[0012] 采用上述技術方案，本發明具有如下有益效果： 1、通過對閩口結構參數靈敏度分析，達到=方面的目的： (1) 改變弧形鋼閩口的結構參數，快速實現提高弧形鋼閩口的基本頻率； (2) 通過改變弧形鋼閩口的結構參數，使弧形鋼閩口最先出現振型W平動振型、彎曲振 型等耗能、延性振型為主;推遲不利振型或降低不利振型所占整體變形比重，不利振型包括 扭轉振型、剪切振型等； (3) 由于流激荷載高能量通常分布在頻率小于10化范圍內，故結構動力特性分析使弧 形鋼閩口的基頻大于10化。
[0013] 2、弧形鋼閩口的流激振動是流激荷載和結構動力特性禪合作用的具體表現，本發 明在流激荷載不可改變的情況下，通過對結構頻率和振型靈敏度分析，提出最有效改變頻 率和振型的結構參量，在弧形鋼閩口造價增加合理的情況下，調整弧形鋼閩口質量和剛度 分布，使弧形鋼閩口低階頻率遠離流激荷載高能量聚集區域，推遲不利振型在弧形鋼閩口 整體振動中出現的順序，降低不利振型在結構整體變形中所占的比重，使結構整體變形W 延性變形為主，更好發揮鋼材料的力學性能，避免弧形鋼閩口結構的過早潰塌。
[0014] 3、本發明無需在弧形鋼閩口上專口設置任何減振裝置，僅通過調整結構的質量和 剛度分布，使流激振動響應得到控制，整體結構處于最優受力狀態，充分發揮鋼材料的力學 性能。
【附圖說明】
[0015] 圖1是弧形鋼閩口的結構示意圖； 圖2是弧形鋼閩口中支臂橫截面的結構示意圖； 圖3是流激荷載壓力波和化urier譜； 圖4是結構參量優化后弧形鋼閩口的前四階振型圖。
【具體實施方式】
[0016] 如圖1-4所示，弧形鋼閩口包括弧形面板1、兩根吊桿2和兩個支臂，弧形面板1后表 面沿其高度方向均勻間隔設有若干橫梁3,每根橫梁3均沿左右水平方向設置，弧形面板1后 表面沿其寬度方向均勻間隔設有若干縱梁4,每根縱梁4均呈弧形結構且與弧形面板1的弧 度相同，兩根吊桿2傾斜設置并相互平行，兩根吊桿2的一端分別與弧形面板1的后表面連 接，每個支臂均包括上懸臂5和下懸臂6,上懸臂5和下懸臂6之間設有腹桿7;某弧形鋼閩口 如圖1所示，弧形鋼閩口的寬和高分別為il游:沁i1. jp，弧形面板1的外弧半徑為22m，兩根吊 桿2之間的間距為6.6m，弧形面板1的厚度為35mm，弧形面板1沿縱向均勻布置9根橫梁3，弧 形面板1沿橫向均勻布置9根縱梁4,弧形面板1的弧長為14.9m，其中上懸臂5與弧形面板1頂 端之間的弧長4. Im,上懸臂5和下懸臂6之間的弧長7.4m，下懸臂6與弧形面板1底端之間的 弧長為3.4m，該弧形鋼閩口的正常蓄水位為850m，正常蓄水水頭為58m，校核水位為855m，校 核水頭為59m。
[0017] 本發明的一種基于特征參量的弧形鋼閩口優化設計方法，包括W下步驟： (1)對弧形鋼閩口的各部分構件進行有限元模擬單元選取，弧形面板1選用殼單元模擬 受力狀態，支臂、橫梁3和縱梁4選用梁單元模擬，吊桿2選用桿單元模擬，對弧形鋼閩口進行 動力學特性分析，采用的公式為：
；，式中，和友分別為質量、阻尼和 剛度的矩陣；S、i和蕾分別為位移、速度和加速度；/曼)為流激荷載； (2) 采用Westergaard法(附加質量法)計算水的等效質量，模擬水壓力對弧形鋼閩口的 動力特性影響，等效質量計算式為
其中為水的密度，最為水深，取為庫水 水頭;模擬的水壓力施加于弧形面板1的法線方向上； (3) 基于大型有限元分析軟件ANSYS，采用Block Lanczos方法計算弧形鋼閩口的頻率 和振型，即弧形鋼閩口的結構特征參量;依次調整弧形面板1、橫梁3、縱梁4、支臂及吊桿2的 結構參量，分別對弧形鋼閩口進行結構參量的靈敏度分析;對弧形面板1的結構參量調整主 要是對弧形面板1厚度的改變;對橫梁3、縱梁4和吊桿2的結構參量調整主要是其截面尺寸 改變;對支臂的結構參量調整包括結構尺寸的改變和腹桿7數量及位置的改變;弧形鋼閩口 結構參量的靈敏度分析采用的公式為：
，其中萬為未改變弧形鋼閩口構件的結 構參量所得頻率;遍為分別改變弧形面板1、吊桿2和支臂的結構參量而得到的頻率值;滅為 計算靈敏度系數； (4) 通過對弧形鋼閩口的結構參量的靈敏度分析發現，支臂引起的基頻靈敏度系數為 0.38，遠大于其它構件引起的靈敏度系數，故支臂截面尺寸的改變和腹桿7數量及位置的改 變是弧形鋼閩口頻率靈敏度最高的參數； 巧)設支臂為箱型截面，如圖2所示，支臂的=種設計方案的幾何尺寸如表1所示，由于 流激荷載高能量通常分布在頻率小于10化范圍內，方案二和方案=的基頻大于流激荷載高 能量聚集區，且方案二的經濟造價僅增加45%，故弧形鋼閩口的支臂尺寸優先選用方案二； 再考慮弧形鋼閩口振型的調整，振型W平動、彎曲等延性振型為主，推遲或降低扭轉振型、 剪切振型所占比重，可通過調整支臂在弧形面板1上的位置:其中上懸臂5與弧形面板1頂端 之間的弧長調整為3. Im,上懸臂5和下懸臂6之間的弧長調整為9.4m，下懸臂6與弧形面板1 底端之間的弧長調整為2.4m，W使弧形鋼閩口的剛度和質量分布更加均勻。
[0018] 流激荷載時程曲線和Fourier譜如圖3所示，流體壓力直接施加在弧形鋼閩口的弧 形面板1上，將引起弧形鋼閩口的整體結構振動，通過調整弧形鋼閩口的結構參數，使結構 最先出現的振型W延性振型為主;優化后前四階弧形鋼閩口的振型如圖4所示，弧形鋼閩口 優化前后考慮流體激勵影響的前四階頻率值如表2所示，優化后弧形鋼閩口基頻大于IOHz， 避開了流激荷載高能量聚集區;弧形鋼閩口優化前后支臂跨中=個方向最大加速度對比如 表3所示，在增加少量鋼材情況下，各個方向加速度降低50% W上，結構變形更加合理，使弧 形鋼閩口滿足安全性生產需要。
[0019] 對結構參量調整的目的有兩個： (1) 閩口頻率離開水流荷載高能能區，防止共振或類共振發生； (2) 降低不利振型在整體變形中的參與度，使整體變形W延性變形為主，防止破壞。
[0020] 對支臂截面尺寸和腹桿7數量及位置調整后，其對應的動力學特性分析采用的公 式修改為：
M、C和《分別為質量、阻尼和剛度的矩 陣;也、蠢和蠢分別為位移、速度和加速度；A M、A C、A K分別為改變弧形鋼閩口結構參量引 起的質量、阻尼和剛度的改變量值;術替)為流激荷載值； 令
，則動力學方程 寫出狀態方程形式為：
；為了簡化計算，引入常數等式0獄=1，將積分運算 轉化為代數運算;動力學方程可表示為
； 再令：
，則方程可表示為：
方程的解為:
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其中《為離 散時間步長;根據方程的解得出弧形鋼閩口分別在徑向、切向及側向的位移、速度及加速 度。
[0021]表1:
本實施例并非對本發明的形狀、材料、結構等作任何形式上的限制，凡是依據本發明的 技術實質對W上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發明技術方案的 保護化圍。
【主權項】
1. 一種基于特征參量的弧形鋼閘門優化設計方法，所述的弧形鋼閘門包括弧形面板、 兩根吊桿和兩個支臂，弧形面板后表面沿其高度方向均勻間隔設有若干橫梁，每根橫梁均 沿左右水平方向設置，弧形面板后表面沿其寬度方向均勻間隔設有若干縱梁，每根縱梁均 呈弧形結構且與弧形面板的弧度相同，兩根吊桿傾斜設置并相互平行，兩根吊桿的一端分 別與弧形面板的后表面連接，每個支臂均包括上懸臂和下懸臂，上懸臂和下懸臂之間設有 腹桿;其特征在于:包括以下步驟： (1)對弧形鋼閘門的各部分構件進行有限元模擬單元選取，弧形面板選用殼單元模擬 受力狀態，支臂、橫梁和縱梁選用梁單元模擬，吊桿選用桿單元模擬，對弧形鋼閘門進行動 力學特性分析； (2 )采用W e s t e r g a a r d法計算水的等效質量，模擬水壓力對弧形鋼閘門的動力特性影 響； (3) 基于大型有限元分析軟件ANSYS，采用Block Lanczos方法計算弧形鋼閘門的頻率 和振型，即弧形鋼閘門的結構特征參量;依次調整弧形面板、橫梁、縱梁、支臂及吊桿的結構 參量，分別對弧形鋼閘門進行結構參量的靈敏度分析； (4) 根據步驟(3)對弧形鋼閘門結構參量的靈敏度分析，并根據計算得出的弧形鋼閘門 的結構特征參量，得出對所述的結構特征參量影響最為顯著的結構參量； (5) 根據得出的最為顯著的結構參量對弧形鋼閘門進行優化設計。2. 根據權利要求1所述的一種基于特征參量的弧形鋼閘門優化設計方法，其特征在于： 步驟(1)中，對弧形鋼閘門的動力學特性分析采用的公式為：+ = 式中，M 、￡：和龍分別為質量、阻尼和剛度的矩陣;名、:i和S分別為位移、速度和加速度；/(〇為流激 荷載。3. 根據權利要求2所述的一種基于特征參量的弧形鋼閘門優化設計方法，其特征在于： 步驟(2 )中通過We s t er gaard法計算水的等效質量，等效質量計算式為：，其中 #為水的密度，％為水深，.I為庫水水頭;模擬的水壓力施加于弧形面板的法線方向上。4. 根據權利要求3所述的一種基于特征參量的弧形鋼閘門優化設計方法，其特征在于： 步驟(3)中，對弧形面板的結構參量調整主要是對弧形面板厚度的改變;對橫梁、縱梁和吊 桿的結構參量調整主要是其截面尺寸改變;對支臂的結構參量調整包括結構尺寸的改變和 腹桿數量及位置的改變。5. 根據權利要求4所述的一種基于特征參量的弧形鋼閘門優化設計方法，其特征在于： 步驟(3)中弧形鋼閘門結構參量的靈敏度分析采用的公式為，其中爲為未改變 弧形鋼閘門構件的結構參量所得頻率；A為分別改變弧形面板、吊桿和支臂的結構參量而 得到的頻率值；各為計算靈敏度系數。6. 根據權利要求5所述的一種基于特征參量的弧形鋼閘門優化設計方法，其特征在于： 步驟(5)的優化設計得到支臂截面尺寸的改變和腹桿數量及位置的改變是弧形鋼閘門頻率 靈敏度最高的參數;最后對支臂截面尺寸和腹桿數量及位置進行調整，推遲不利振型在弧 形鋼閘門整體振動中出現的順序，降低不利振型在結構整體變形中所占的比重，使結構整 體變形以延性變形為主； 其對應的動力學特性分析采用的公式修改為：;鮮 、《：:和尤分別為質量、阻尼和剛度的矩陣；δ、?和?分別為位移、速度和加速度；A#、A C、 A ΛΓ分別為改變弧形鋼閘門結構參量引起的質量、阻尼和剛度的改變量值；/0》為流激荷 載值；U動力學方程 寫出狀態方程形式為:爾為了簡化計算，引入常數等式，將積分運算 轉化為代數運算;動力學方程可表示為，則方程可表示為：方程的解為;傳遞矩陣f#的表達式為由sp{ifr);其中f為離 散時間步長;根據方程的解得出弧形鋼閘門分別在徑向、切向及側向的位移、速度及加速 度。
【文檔編號】G06F17/50GK106021801SQ201610393473
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月6日
【發明人】吳澤玉
【申請人】華北水利水電大學