[發明專利]混凝土拱壩壩體優化方法

有效

• 申請號: 202011591747.0
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112685818B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 高宇;劉彪;李通盛;王橋;周偉;岳強;黃誠斌;常曉林
• 申請（專利權）人: 武漢大學;大唐宣威水電開發有限公司
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/20;G06F111/04;G06F119/14
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 胡甜甜

本發明公開了一種混凝土拱壩壩體優化方法。凝土拱壩壩體優化能夠在保證工程安全的前提下，提出經濟可靠的壩體設計方案。傳統的拱壩壩體優化方法重復設計法的工作量大、過程繁瑣和效率低，因此提出一種高效可靠的混凝土拱壩壩形優化方法是十分必要的。而在控制拱壩壩體優化的因素中，應力控制是最為重要的一個。本發明采用快速多級邊界元法對優化的混凝土拱壩壩體進行應力控制分析，相較于采用有限元法進行應力控制分析的常規拱壩壩體優化方法，在同等自由度的前提下，本發明耗時更少，計算效率更高。此外，快速多級邊界元法無需對壩體進行三維網格劃分，只需要對壩體外表面劃分二維單元，過程更為簡單，網格劃分質量要求較低，更為便捷。

技術領域

本發明屬于壩體優化技術領域，具體涉及一種混凝土拱壩壩體優化方法。

背景技術

所謂拱壩體型優化設計，就是在已知的給定參數條件下，尋找滿足工程的施工、運用、強度、穩定性等約束條件，并使目標函數取最小值的體型方案。因此，優化設計的首要一步是將工程實際問題表示成數學表達式，即建立數學模型，包括選定設計變量、選擇目標函數、建立約束方程，然后采用適宜的優化方法，求出問題的解。

關于拱壩體型優化的研究，國外是從20世紀60年代開始的。1969年，R.Sharp提出了用數學規劃法對拱壩進行體型優化設計，從而使拱壩體型優化設計作為一個專門課題，引起學術界和工程界的注意；1973年，加拿大學者W.Stensch提出了自由型拱壩設計的模型；1974年G.A.Harley和G.M.Mcneice形成了有限元分析用的網格自由劃分系統，進一步改進了W.Stcnsch的工作；1975年R.E.Rhichetts和D.C.Liewicz發表了《混凝土壩的形狀優化設計》，其中也研究了拱壩；1982年，在上海舉行的國際有限元會議上，K.Wassermann發表了一篇拱壩體型優化的論文等。

我國拱壩體型優化設計的研究是在20世紀70年代末期由朱伯芳院士提出來的，盡管起步較晚，但發展很快。我國拱壩優化設計研究已經進行了30多年，在優化理論和實踐上均取得了顯著的成績，目前我國在拱壩優化領域已處于國際領先地位。從基于材料力學優化發展到有限元優化，從靜力優化發展到動力優化，從線性優化發展到非線性全過程分析，拱圈的線性從單心圓發展到二次曲線、混合線型等，逐步發展和完善了我國提出的高混凝土壩優化理論與方法。

目前，有限元法作為一種很受歡迎的數值分析方法，逐步成為壩型優化應力計算的主要方法，但一般而言，拱壩為超大規模水利工程，有限元分析需要劃分大量的三維體網格，計算量巨大，耗時長，需要高額的計算成本。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提出了一種混凝土拱壩壩體優化方法，基于快速多級邊界元法，模型重建過程更為簡單，同等自由度下，精度更高。

為了解決上述技術問題，本發明提供的混凝土拱壩壩體優化方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：選擇用以確定拱壩體型的基本參數，如拱冠梁處拱圈中心線的曲率半徑、拱端中心角，以及確定壩體厚度的基本參數如拱冠梁厚度、拱端厚度等作為優化設計變量；

步驟2：選擇適當的目標函數，一般以安全性為關鍵性指標，即以應力為目標函數；

步驟3：為保證工程安全和施工方便，確定壩體幾何尺寸和工作性態兩方面的約束，主要包括幾何約束條件、應力約束條件和穩定約束條件；

步驟4：將拱壩的體型抽象成幾何模型并用一組參數來完整地描述，基于快速多級邊界單元進行壩體網格自動化劃分以及荷載的自動施加。

步驟5：基于快速多級邊界元法自動化計算應力，利用等效應力法求出拱壩上下游面的三個應力分量，然后由該處微分體的平衡條件求得另外三個應力分量，進一步決定拱壩上下游面的主應力，進而確定出最優拱壩壩形。

作為優選，所述步驟3中輸入應力約束條件為壩軸線位置移動范圍的限制，壩頂最小厚度的限制，倒懸度約束，保凸性要求。