小型水電工程鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的途徑

周寧娜,南 洪

（1.陜西通信規(guī)劃設計研究院；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展及城鎮(zhèn)化的推進，人們的日常生產(chǎn)、生活對供水系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)，其中農(nóng)業(yè)灌溉供水問題成為限制我國農(nóng)業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化、產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。小型水電工程因其成本低、實用性高、架設便利的優(yōu)勢在我國農(nóng)業(yè)灌溉供水系統(tǒng)、城鄉(xiāng)供水系統(tǒng)里扮演了重要角色。而其中，鋼結(jié)構(gòu)作為上述供水系統(tǒng)的管道及供水、供電運作之廠房屋梁乃至承載高壓線之架構(gòu)的主體承重部分，其質(zhì)量規(guī)格的高低直接影響到其承重、負荷能力，對依附其上的各要件穩(wěn)固及整個水電工程的安全、可靠運作產(chǎn)生重大影響。但囿于國內(nèi)在小型水電工程建設中存在以“最大限度降低成本”為首要目標的錯誤定位，工程投資被極度壓縮、而用于研發(fā)設計科學合理之鋼結(jié)構(gòu)甚至用于保障水電工程安全性的投資微乎其微，因此，對小型水電工程的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計具有緊迫的理論和現(xiàn)實意義。

1 優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)之ANSYS軟件應用原理

目前，國際學者在對小型水電工程之鋼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計時，通常運用美國ANSYS公司研制之有限元分析軟件進行數(shù)據(jù)分析、整理。該軟件內(nèi)含包括零階方法及一階方法在內(nèi)的兩種優(yōu)化設計模式，能夠滿足我國對鋼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計的絕大部分需求。這兩種優(yōu)化設計模式旨在促進不同目標的達成，對于零階方法而言，其主要用于測量目標函數(shù)是否達到足以適應廣譜色合計變量的狀態(tài)及其完善度的高低，在小型水電工程中可以普遍適用；而對一階方法而言，其主要用于檢測目標函數(shù)是否能對存在細微差異之不同設計變量作出靈敏的反應，多用于計算精密、準確的數(shù)據(jù)以供優(yōu)化設計分析。

ANSYS有限元分析軟件遵循“系列分析—數(shù)據(jù)評估—優(yōu)化修正”三個主體循環(huán)流程，也即在對輸入軟件之工程初步設計進行系統(tǒng)分析，再參照工程設計擬達之功效、目的的指標對該初步設計進行評估，最后根據(jù)評估結(jié)果展現(xiàn)出的缺漏、不足之處進行有針對性的、有助于工程達到安全、高效之優(yōu)化修正；并借助軟件反復循環(huán)的設計軌道，通過數(shù)據(jù)的反復檢驗、配試不斷完善初步設計、整體化提升其性能，直到所有數(shù)據(jù)顯示達標也即設計臻于完美狀態(tài)。具體操作中，分析文件作為系統(tǒng)與用戶最直接的對接窗口，一旦用戶輸入其初始設計，文件便將該設計編碼成命令流進入到ANSYS的系統(tǒng)分析流程，經(jīng)歷前后兩次處理及求解這三個環(huán)節(jié)；此外，系統(tǒng)通過預先設定之參數(shù)化模型對目標、狀態(tài)及設計這三個變量進行比照分析。ANSYS軟件經(jīng)分析文件運作后，將自動反饋生成一個優(yōu)化循環(huán)文件，該文件已經(jīng)生成便進入到計算機系統(tǒng)的循環(huán)優(yōu)化處理環(huán)節(jié)中。其具體的優(yōu)化流程原理如圖1所示[1]。

圖 1

2 優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)之ANSYS軟件應用實例

2.1 問題的提出

在小型水電工程中，作為工程“心臟”之泵與泵站必不可少，廣泛用于農(nóng)業(yè)灌溉供水、排水系統(tǒng)以及城鄉(xiāng)日常生產(chǎn)、生活供水等多個領(lǐng)域，為工程提供源源不斷的動力支持。而作為泵站建設中的最重要之部分，泵房容納配備了小型水電工程中包括主機、輔機部分及相關(guān)電氣設備在內(nèi)的重要配件，其泵房設計質(zhì)量的高低直接決定了工程是否能夠在保障安全、可靠運行的前提下，最大限度地降低對機電設備的不必要損耗，延長其使用年限，達到最佳經(jīng)濟效益的工程目標。因此，工程設計者對泵房的承重體系，也即鋼結(jié)構(gòu)進行科學、合理的優(yōu)化設計尤為必要。常見的泵房主體設計架構(gòu)包括吊車梁、房屋面板、基礎承重梁、屋架、屋梁等幾部分，優(yōu)良的泵房構(gòu)架設計能通過使得泵房的各個部分分工協(xié)作，實現(xiàn)了承重壓力的均衡、合理分配，防止壓力集中在某一部位而導致斷裂、崩塌現(xiàn)象的出現(xiàn)。而那種為了趕工期而不惜一切代價、忽視泵房主體構(gòu)架進行優(yōu)化設計之必要性的小型水電工程在設計之初便存在嚴重的安全隱患，不僅極易釀成人身傷亡事故、其實際上還造成了工程無法投入正常使用、資源浪費的低效益局面，真可謂是“得不償失”。

目前，我國的城鎮(zhèn)、農(nóng)村在建設小型水電工程時普遍采用如上圖之穩(wěn)定性較強的三角型作為屋架，該設計方案簡單便利、施工難度也相對較低。在三角屋架的設計中，如何對屋蓋承受的包括恒定之屋蓋自身結(jié)構(gòu)重量以及工程中不定之設備、人員及風力重量帶來的壓力進行合理配置、優(yōu)化設計是設計的難點所在。對鋼結(jié)構(gòu)屋架進行橫向截面模擬可得出一矩形，圖2為經(jīng)對稱性考量而簡化之半邊屋架構(gòu)造之平面視圖[2]。為了便利計算，在實驗中盡量縮減設計變量的數(shù)值，將矩形截面的寬和高分別設為1：2。從優(yōu)化設計的視角來看，AB、AC、AD、BC、BD、CD桿是可以進行數(shù)據(jù)模型優(yōu)化的變量，其初始值一律設為80毫米，在進入ANSYS軟件后系統(tǒng)自調(diào)幅度為20毫米到180毫米之間。

在整個優(yōu)化設計的流程中，上述可進行數(shù)據(jù)模型優(yōu)化之變量也即鋼結(jié)構(gòu)屋架的各個組成部位的可承受最大拉力值、壓強值以及撓度是優(yōu)化設計中的狀態(tài)變量。系統(tǒng)根據(jù)安全性、可靠性評估得出各組成部分的可承受之最大拉力值必須控制在191MPa范圍內(nèi)，可承受之壓強極限必須控制在187.39MPa范圍內(nèi)，撓度的極限值不得超出13毫米。

圖2

2.2 問題的分析

ANSYS軟件對初始輸入設值與最終得出之優(yōu)化設計數(shù)據(jù)的對比圖如表1所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，研究者可以直接得出經(jīng)過優(yōu)化設計，工程原設定之初始數(shù)據(jù)的合理性、可靠性大大增強，且優(yōu)化設計所得出的鋼結(jié)構(gòu)用料僅為原設計擬投入用料的百分之六十。為了更加直觀地體現(xiàn)出優(yōu)化設計前后各變量的具體變化，可繪制出其優(yōu)化設計中隨著迭代次數(shù)的遞增而各部分桿干的數(shù)值漸趨合理的曲線變化圖如下。

由圖可知，經(jīng)優(yōu)化設計修正后之鋼結(jié)構(gòu)屋架的各個桿干鋼材用量最省，比原先設計擬投入使用的鋼料相比實現(xiàn)了162.12kg的下降，在達到節(jié)約成本的經(jīng)濟效益的同時還最大限度地滿足了可承受之壓強、拉力值、撓度介于一個安全區(qū)間，也即保障了工程建設的可靠性和安全性，因而在我國城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉供水、排水系統(tǒng)中具有可推廣價值。

表1

3 結(jié)語

我國龐大的人口基數(shù)及經(jīng)濟飛速發(fā)展對供水系統(tǒng)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，興建成本低、實用性高、安全可靠之小型水電工程為城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉用水難題提供了一條出路。然而在小型水電工程的設計和施工過程中，應當利用ANSYS軟件對初始設計進行優(yōu)化修正，以達到以最低成本實現(xiàn)最佳效益之“帕累托效應”，節(jié)約成本、促進資源的優(yōu)化配置。

[1]沙魯生.水泵與水泵站[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

[2]朱幽幽,劉禮華.小型水電工程鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的途徑[J].中國農(nóng)村水利水電,2003(04):35-37.