文档介绍：河海大学
博士学位论文
基于有限单元法的高拱坝优化设计方法体系的研究与应用
姓名:苏超
申请学位级别:博士
专业:水工结构工程
指导教师:姜弘道
20050301
要摘高拱坝体型设计是关系到大坝安全和经济的关键技术问题。高拱坝设计对地质条件的适应性要求越来越高,优化设计时要考虑到复杂地质条件的影响,最好采用已被工程界普遍接受的有限单元法等现代计算方法,这对以拱梁分载法为主的拱坝优化设计体系提出了新的挑战,除了需要解决不同条件、不同拱坝参数的全自动计算问题,还要解决由于结构计算时间增加所带来的优化计算的可行性和效率问题。优化方案和优化方法,具体工作有:设计的数学模型和优化目标,提出基于有限单元法的高拱坝优化设计方法体系的基本设想及需要解决的关键技术问题。在计算机网络机群环境下,完成了基于计算机网络并行环境的复合形优化方法、遗传算法和进化策略等自然进化、全局寻优的现代优化设计方法:提出使用“逐步法”进行多目标优化设计。针对各种拱坝线型完成了高拱坝有限计算全自动剖分程序,程序考虑了平面断层的影响及不同高程的地质分区,考虑了所有横缝及混凝土分期浇筑、分期蓄水施工过程。采用两种方案进行拱坝优化设计:一是将拱梁分载计算的应力和坝肩稳定安全系数作为约束条件,以拱坝混凝土方量为优化目标进行优化设计;二是将有限元等效应力法计算的应力和拉应力深度作为约束条件,以拱坝混凝土方量为优化目标进行优化设计。标作为体型优化目标时,根据规范要求将坝体上游面开裂深度与坝体厚度的比值作采用有限元法进行动力分析计算,利用三维实体任意切面数据处理技术,提出了应用有限元法计算拱坝坝肩稳定安全系数方法,在此基础上完成了基于有限元法本文结合即将颁布的国电行业标准《混凝土拱坝设计规范》中的相关规定,就基于有限单元法的高拱坝优化设计的方法体系进行了研究,提出了一些新的优化目标、对国内拱坝优化设计及相关领域研究现状进行了总结,详细介绍了高拱坝优化探讨了基于非线性有限元法进行高拱坝优化设计的可行方案,当采用经济性指为约束条件;当采用安全性指标作为拱坝优化目标时,目标函数取拱坝整体稳定安全度,并将非线性有限元计算的坝体上游面开裂深度与坝体厚度的比值作为约束条以坝肩动力稳定安全系数为目标的高拱坝优化设计程序。关键词:高拱坝,优化设计,有限单元法,并行计算,坝肩稳定,整体稳定安全度,复合形算法,遗传算法,进化策略。件。一
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藏量丰富,其中大部水能资源集中在西南地区,随着我们西部大开发战略的逐步实施以及国家电力能源结构的调整,西部的水力能源开发将更加得到重视,西南地区的河谷狭窄,水流落差较大,许多坝址适合修建拱坝,且多数为高拱坝。目前已经开工的小湾拱坝痈米拖B宥晒鞍坝高,坝高都超过了已建拱坝在我国有着广阔的发展前景,拱坝建设规模从级发展到级,由于缺少国内外可以借鉴的工程经验,关键技术问题成为众多学者关注的对象。世纪的信息革命深刻地影响着水利水电工程设计领域,以经济效益为中心的电建设水平的不断提高。水电工程建设更多地应用计算机技术进行工程的规划、设服务,是我们水电工程研究设计工作者肩负的历史使命。结构优化设计的目的在于寻求既安全又经济的结构形式,而结构形式包括了关于尺寸、拓扑形状信息,要试图得到超出设计者经验的新型结构,采用数学规划方算由被动的分析、校核转变为主动的设计和结构控制。本文研究的目的是丰富、完拱坝体形优化设计是利用数学规划方法求出给定条件下拱坝的最优体形。国外这方用空间等参单元模拟坝体和岩基,并在此基础上研究了开裂约束下的高拱坝结构分析方法,提出了一种拱坝开裂分析超级有限单元法,可以较好地解决反映结构局部特性与避免扩大计算规模之间的矛盾,同时为开裂约束下的拱坝体形优化设计提供了一个有效的中国是拱坝大国,其拱坝总数接近全球拱坝数量的一半,美国、西欧等发达国家拱坝建设的高潮已经过去,而我国拱坝建设的高潮方兴未艾。我国的水能资源蕴成的世界最高的英古里拱坝痈米こ塘恳渤讼钟械氖澜缢健8竞争意识将会主导未来的水电工程设计市场,鼓励优化设计,从而促进我国水利水计、施工和运行管理,可以获得更高的经济效益,充分利用计算机技术为工程设计法是非常有效的研究途径,优化设计是集力学、数学、计算机及工程科学为一体的交叉学科的重要研究领域,它为设计工程师提供了先进的设计工具,也使得结构计善高拱坝优化设计体系,开发成熟可靠的计算机设计软件,这对提高拱坝建设的安全度和经济效益以及提高我具有重要意义。面的研究始于二十世纪六十年代末期,我国从上世纪七十年代末期开始起步,重点研究基于拱梁分载法的拱坝优化设计方法,经过多年的努力,我国在拱坝优化领域的理论研究已经处于国际领先地位。基于有限元法的拱坝体