基于遺傳算法的水工鋼閘門優化設計

2020-12-14 04:32:27王軍鐘亞麗于堯

人民黃河 2020年11期

王軍鐘亞麗于堯

摘要：針對水工鋼閘門難以全局優化的現狀，根據現行規范和水工鋼結構設計理論，對水工鋼閘門結構布置中的主梁根數及其高度、腹板厚度、上翼緣寬度和厚度、下翼緣寬度和厚度，以及面板厚度、橫隔板根數、邊柱腹板厚度、邊柱翼緣寬度和厚度等12個獨立形態參數，運用分流機制的新型遺傳算法進行全局優化，初步實現了水工平面鋼閘門的優化設計。實例應用表明，在一定的材料強度下，該方法只需在程序中輸入孔口尺寸和上下游水位組合，經過優化，即可得到閘門自重最小值，從而降低閘門造價。如設定閘門自重不變，則通過優化可實現強度儲備均勻，提高閘門的安全裕度。

關鍵詞：水工鋼閘門;全局優化;遺傳算法;安全裕度

中圖分類號：TV663.4 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.019

Abstract： In view of the problem that hydraulic steel gates cannot be optimized globally， according to the design theory of hydraulic steel structures and current industrial standards， the number and height of the main beam， the width of web plates， the width and thickness of upper and lower flange of main beams， the thickness of panel， the number of diaphragms， the thickness of side column web plates， the width and thickness of side column flanges in hydraulic steel gates are discussed. A new genetic algorithm based on shunt mechanism was used to globally optimize the above 12 independent shape parameters. In this paper， the optimum design of hydraulic plane steel gate was preliminarily realized and the program had strong universality. The calculation of the example shows that the program only needs to be given the range of 12 independent body parameters （with certain combination of orifice sizes and the upstream and downstream water levels） and the optimum solution can be obtained by minimizing the weight objective function. This optimization method reduces cost and improves whole redundancy of the gate.

Key words： hydraulic steel gate; global optimization; genetic algorithm; redundancy

水工建筑物中鋼閘門通過關閉、開啟或局部開啟，可實現控制水位、調節流量等功能。閘門在工程費用中占比一般為20%[1]，對于平原地區低水頭水工建筑物，其占比甚至達到50%，優化設計的經濟效益較大。仇強等[2]利用遺傳算法實現了平面鋼閘門主梁設計的優化。許世剛等[3]運用一種基于分流機制的新型遺傳算法對壓板式短進水口進行優化，獲得全局最優值，為閘門整體優化提供了思路。金菊良等[4]對基因算法進行了改進，改進后的基因加速法適應性更強、應用更廣。李月偉等[5]基于CATIA V5軟件平臺，編制水工鋼閘門設計系統計算模塊，實現從工程可行性研究到實施全過程的可視化設計與管理。白潤波等[6]對水工鋼閘門輪軌接觸強度的安定算法進行分析，基于安定極限荷載下限理論探討輪軌的接觸強度問題，建立自循環優化安定分析算法，并對90個不同狀態下的輪軌接觸強度進行了數值分析。劉云俊等[7]對在役水工鋼閘門進行安全評估，通過蒙特卡羅抽樣隨機有限元分析，計算當前鋼閘門主梁的可靠度指標，以此判定當前的鋼閘門是否安全。王可等[8]利用CATIA軟件開展水工鋼閘門的三維設計，提出了一種新的“參數提交—設計計算—參數化快速建模—有限元分析校核—工程圖優化調整”設計模式。

目前鋼結構的應力計算分析理論日趨成熟，通過引入空間有限元分析方法，可以計入面板和水平次梁在閘門整體彎曲中所起的抗彎作用，較真實地反映閘門的工作情況，但需要事先人為擬定閘門的各部位尺寸，僅能起到強度復核的作用。水工鋼閘門優化設計中約束條件非常復雜，以往的方法在鋼閘門設計中應用困難較大，隨著現代優化理論的發展及計算機運算速度的提高，現在可以對鋼閘門優化設計進行新的嘗試。遺傳算法（GA）是一種仿生類算法，它以自然進化和遺傳變異理論為基礎，多用于復雜問題的優化分析，在所有的工程和科學問題中幾乎都有應用[9-10]。

鋼閘門屬于空間受力體系，目前常拆分為平面體系，按結構力學的方法進行受力分析。對于中小型閘門來說，可直接采用平面體系分析的結果，《水利水電工程鋼閘門設計規范》[11]也推薦該方法，對于大型工程，可以其優化結果為基礎，再進行精確的有限元分析。

水工鋼閘門門葉一般由面板、主次梁、聯結系、支承及止水等部件組成，從傳力路徑看，水壓力通過面板、次梁、主梁、邊柱、行走支承、閘門埋固件依次傳遞到閘身或壩體[12-13]，而閘門聯結系多為構造要求。鋼閘門優化設計一般指面板、主次梁、邊柱的布置及結構尺寸的優化，需要尋找一種適當的優化方法，從無數種組合中得到經濟合理的方案。筆者根據現行規范[11-12]，按照目前通用的水工鋼結構設計理論，應用MATLAB語言編程，運用遺傳算法初步實現了水工平面鋼閘門的全局優化。

1 水工鋼閘門優化設計數學模型

本次水工鋼閘門優化，外部參數僅包括孔口的凈寬、凈高及上下游水頭，與閘門有關的其余尺寸均作為獨立的變量進行優化。

水工鋼閘門優化是有約束條件的非線性規劃問題，包括設計變量、目標函數和約束條件三個內容。

1.1 設計變量

設計變量包括已知參數和待優化變量兩部分，閘門設計時，已知參數有5個，分別為上游側水頭H1、下游側水頭H2、閘孔凈寬B、閘孔凈高度H、材料強度[σ]。待優化變量是與閘門結構設計有關的12個相互獨立的體形參數，具體見表1。

優化步驟如下：①進行參數設置。確定種群規模N，交叉、變異概率的控制參數pc、pm，誤差控制參數ε，懲罰因子ρ等。②種群的初始化。在確定群體規模的基礎上，根據變量的取值區間及數值類型，隨機生成初始種群，作為GA進化的初始父代。③個體的適應度評價。計算個體的適應度，并按降序排列，個體的適應度越大，說明該個體解的質量越高。④選擇。判斷是否滿足終止條件。⑤雜交。采用常用的雙親雙子法，將上述種群配成N/2對，以隨機概率pc選擇某對進行單點雜交。⑥變異。將雜交后的下一代個體，以隨機概率pm對染色體上的一個基因作變異，形成一個新的種群。⑦迭代。把步驟⑥得到的新種群轉步驟③，經多次重復迭代，使種群體的適應度逐漸提高，達到預設滿意精度時，適應度最大的個體就是優化成果。

3 優化實例分析

某水電站溢洪道閘門采用露頂式平面鋼閘門，孔口凈寬B=10.00 m，凈高H=6.0 m，設計上游水頭H1=6.0 m，設計下游水頭H2=0，閘門制作材料采用Q235。根據以上數據進行閘門優化，得到閘門重力最小值，并給出相應的閘門結構布置及斷面尺寸。

運用遺傳算法進行閘門優化設計，在滿足已知參數及約束條件下得到最優方案，優化結果與例題相比較的具體情況見表3。

經過優化，可得到以下結論：

（1）優化后閘門自重為77.36 kN（根據遺傳算法式（6）迭代后求得），比例題（根據規范[11-12]中鋼閘門計算公式計算）降低約15%。閘門最大應力/材料強度由例題的0.96增至0.99，如仍按最大應力/材料強度=0.96控制，則自重可降低約13%。

（2）各主要構件應力與材料強度比值的離散性下降。

綜上，在同樣的荷載和強度約束條件下，通過優化，各主要構件強度儲備均勻性提高，可達到減少鋼閘門自重、降低工程造價的目標[15]。

4 結論

本文研究了水工鋼閘門的受力機理，運用遺傳算法進行優化計算，將優化計算成果直接導入水工鋼閘門繪圖軟件，可實現鋼閘門的自動化設計，大幅提高鋼閘門設計效率。平面鋼閘門優化的技術思路也可用于弧形鋼閘門以及人字閘門。通過優化門體結構布置，各部位強度儲備趨于一致，可體現結構優化理論中均勻強度的特點。在同樣的荷載和強度約束條件下，閘門自重可減小，投資降低;對于具體的工程項目來說，可在閘門自重不變的前提下，使各部位強度儲備均勻、最大應力降低，閘門的安全度顯著提高。

參考文獻：

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[11] 中華人民共和國水利部.水利水電工程鋼閘門設計規范：SL74—2019[S].北京：中國水利水電出版社標準化出版分社，2019：1-18.