2023年三峡升船机工作门启闭机机架结构拓扑优化与设计改进.docx
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1、2023年三峡升船机工作门启闭机机架结构拓扑优化与设计改进摘要：三峡升船机下闸首工作门采用液压启闭机启闭。若按照传统方法设计启闭机机架，虽然安全，但结构自重大。采用有限元分析软件对机架结构进行静力学分析，获得结构折算应力的分布情况，再通过机架的结构拓扑优化，以结构的自重作为目标函数，得出了结构刚度最大情况下体积减少25%的材料分布伪密度分布。在此基础上，兼顾结构的制造性要求，通过改变局部结构形式、增删加强筋、改变板材厚度等手段对机架结构进行了设计改进。改进结果不仅充分满足了强度、刚度要求，且有效降低了结构的自重。关键词：启闭机机架；结构优化；拓扑优化；有限元分析中图分类号：TV34 文献标识码
2、：A 文章编号：1672-1683（2023）01-0158-04由于水利水电工程中闸门的水头越来越高，闸门启闭机向大型化和专用化发展，并广泛采用了液压技术。三峡水利枢纽工程中，在深孔泄洪工作门、导流深孔门、船闸、电站进水口工作门、升船机闸首工作门、输水廊道人字门等处均采用了液压启闭机1。液压启闭机机架金属结构部分通常是参照GB 50017-2023钢结构设计规范进行设计和计算校核。为了满足强度、刚度和稳定性的要求，启闭机启门力的提升必然使得支撑启闭机的机架金属结构的尺寸增大，用料增多。为了降低材料的用量，减轻机架金属结构的自重，本文通过分析机架在受到荷载作用后的应力、变形情况，对其结构进行一
3、些符合力学原理的改进和优化。2 机架有限元静力分析根据机架结构的几何模型，在Ansys中对于焊接组合结构的板件采用SHELL63单元。不同厚度情况下分别赋予其不同的实常数。对于上部机架顶端的球面支撑、自润滑轴瓦和支座部分，采用Solid45单元。根据机架实际受力情况，在底部四个480480支撑面施加全约束。顶部施加的压力经过换算，在顶部1 2601 410的面域施加面荷载，同时考虑自重。按照以上方式，并将计算单元的长度控制在200 mm，建立的计算模型有限元网格剖分为 9 868个节点和12 065个单元。限于篇幅，仅给出结构总体在13 500 kN极限工况下的最大折算应力（Von Mises
4、 应力）云图和结构总体位移图，分别见图3（a）、图3（b）。有限元的分析结果表明，结构最大位移5.141 mm。按照设计规范，一般最大挠度不超过计算跨度的1/1 000，变形满足设计要求；最大折算应力（Von Mises应力）位于机架腹板与底部支座的连接处，最大应力值达到309 MPa（图3（a）中标示的MX处）。根据应力云图观察可知，在机架腹板与底部支座连接处的应力变化存在突变，即在很小的面积内云图颜色由绿色急剧变为红色，可判定最大折算应力由应力集中引起，应力集中点附近的折算应力也达到了240270 MPa的水平。若考虑安全因数为1.5，则对于Q345主材，其许用应力为230 MPa，显然结
5、构局部已经高于许用应力，最大处折算应力超过许用应力将近35%。从应力云图中可以看出，除了从上部机架到支撑的两个斜方向腹板应力较大以外，绝大多数的板材的折算应力均处于较低的水平，基本上不超过100 MPa。上部球面支撑结构除了球面支撑接触部位以外，其应力仅在40 MPa以下。可见，按照经验进行的初步结构设计既不符合强度的要求，也存在大量的材料浪费现象，因此，对其结构进行改进是有必要的。3 机架结构的拓扑结构优化设计3.1 结构的设计改进及优化方法根据初始设计的有限元分析，对机架结构的改进首先要满足强度、刚度的要求，其次是在满足制造安装方便的基础上，适当减少材料的用量。根据设计变量的类型，结构优化
6、设计包含尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次。拓扑结构优化探讨结构构件的相互联接方式3，结构内有无空洞、孔洞的数量、位置等拓扑形式，以减轻结构的重量或提高结构的性能。结构拓扑优化往往以根据重量的减少比例作为设计目标使得结构刚度最大，以应力、变形条件作为约束，分析结构材料的布局，其结果更接近于理论上的最优方案。拓扑结构优化存在着有限元网格依赖、棋盘格问题以及制造性差等方面的缺陷4，因此尽管在理论上研究较多，但是实际应用还存在相当的距离。在水工金属结构领域，朱军祚5等人对大型弧门的优化布置采用了拓扑优化的方法，具有一定的代表性。本文将在下文讨论如何在Ansys平台下对三峡升船机下闸首启闭机机架进行
7、拓扑结构优化，并分析其结果。3.2 结构拓扑优化设计在Ansys中设置拓扑结构优化的目标函数是结构的自重，结构的体积设置为约束函数，载荷和约束条件均保持不变。由于拓扑优化程序默认的结构单元为SHELL93、PLANE2、PLANE82、SOLID92、SOLID95，因此将模型中的面单元改为SHELL93，实体单元改为SOLID95单元。设置结构腹板为可优化区域，考虑到机架的功能要求和结构的整体稳定性要求，上下翼缘、上部支撑结构、横向腹板均设置为不可优化区域。为了达到轻量结构的目的，设置可优化区域优化后结构重量减轻75%，采用Ansys自带的最优标准逼近（OC）方法做优化计算，每次迭代目标函数
8、精度0.1%。拓扑优化结果图是由0、1单元伪密度图组成，即结构单元从0到1编码。若单元伪密度为0，则该单元可以被删除；相反若单元伪密度为1，则必须保留。根据精度的要求，可以显示所需精度的单元伪密度图。在此，选择显示的伪密度区间为0.8，1。优化后所得伪密度云图和应力图见图4、图5。从伪密度云图中可以看出，结构外围腹板的优化结构为斜撑结构。整体最大应力处依旧在约束部位，最大应力约为188 MPa。图6为目标函数（结构自重）随迭代步的变化曲线，可以得知，可优化区域的重量减少为原来的14.06%。给出一种较优的设计方案6，其优点是直观、明确，缺点是设计结果往往是较优方案，且理论依据不足。而基于ANS
9、YS拓扑优化得到的结果并不能直接用于设计与制造，但是其结果为实际结构的优化设计提供了重要的依据。因此，在拓扑优化结果的基础上，考虑机架结构的功能性和制造性要求，特别是焊接工艺的要求，其实际结构改进措施应是在保持原有设计基本结构不变的基础上，参考结构的拓扑优化分析结果所给出的材料布局设计，通过改变局部结构形式、增加或减少局部板材厚度、设置加强肋和筋板等方法来达到结构改进的目的。基于此，对机架结构主要从三个方面予以了改进。（1） 去除下部机架垂直方向的加强筋，同时在下部机架自底部支撑至上部机架连接处在内外两侧焊接壁厚为5 mm的横截面为200200的方形空心型钢。（2）将上部机架球面支撑下方的支座
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