泵房結構拓撲優化設計

蔡新 姚景智 郭興文 邊賽賢

摘 要：為了獲得更加安全、經濟的泵房結構設計方案，構建了泵房結構拓撲優化數學模型，提出了兩階段式拓撲優化求解策略。首先在ANSYS平臺上對泵房主體結構進行拓撲優化，獲得結構最優拓撲形態;然后對拓撲結果進行適應性處理，開展工程強度、剛度及穩定性的泵房結構工作性態復核。案例優化結果表明，經優化后的泵房結構總體積較原方案減小13.7%，且優化設計方案各項指標滿足規范要求。

關鍵詞：泵房結構;拓撲優化;ANSYS;底板;墩墻;拓撲形態;性態復核

中圖分類號：TV675 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.026 引用格式：蔡新，姚景智，郭興文，等.泵房結構拓撲優化設計[J].人民黃河，2021，43（10）：134-138.

Abstract： In order to obtain a safe and economical pumping house structure design， this article established a mathematical model for topology optimization of pumping house. Also， the two-stage pumping house structure topology optimization solution strategy was proposed based on the structural topology optimization theory. Firstly， the topology of the pumping house was optimized on the ANSYS platform， and the optimal topology of the structure was obtained. Then the topological form was adaptively processed and a qualitative validation that met the strength， stiffness， and stability of the project was performed. Compared to the original scheme， the optimized design shows a decrease of 13.7% in terms of the volume of the pumping house. Indicators in the safety of pumping station design meet the qualification. This work is expected to promote the application of topology optimization technique in pumping house.

Key words： pumping house structure; topology optimization; ANSYS; bottom plate; pier wall; topological form; performance validation

1 引 言

泵站工程在水資源區域調度、防洪抗旱、農田灌溉和城鄉供水等方面發揮著重要作用[1]。隨著經濟建設的快速發展，我國還將建設大量泵站工程，今后泵站工程建設必須符合綠色、節能、環保的水利開發理念要求，因此有必要尋求更加安全、經濟的泵站結構形式以及泵站設計理論、設計方法。現階段，尺寸優化在泵房結構設計得到了一定的應用并取得了良好的效果[2]，但限于泵房結構功能特殊性的要求，內部、外部幾何條件較多，且為強制條件。僅使用尺寸優化已難以進一步挖掘泵房結構的優化空間。因此，在泵房結構幾何尺寸不易變動的情況下，對其實體結構內部進行拓撲優化設計[3-5]具有重要意義。

近年來，結構拓撲優化在建筑、機械、航空、航天、海洋工程及船舶制作等領域得到了廣泛的應用[6]。在機械領域，文獻[7-8]在滿足結構性能要求下，以車身形式的造價最低為目標，建立了車身結構優化區域的三維空間模型，選取變密度法中的SIMP模型進行多工況下的拓撲優化設計，獲取車身的最佳傳力路徑，為車輛工程設計研究工作提供參考。在建筑領域，彭細榮等[9]基于連續體結構拓撲優化ICM法對高層建筑大型支撐體系進行拓撲優化，建立了位移約束下結構質量極小化的優化模型，推導了相對位移差敏度分析的伴隨法公式，獲得了滿足規范要求的最優拓撲形態。在水工領域，高照良等[10]依托工程實例，進行了面板堆石壩的拓撲優化研究，取得了堆石壩面板的最佳材料分布方案。計算結果表明，新的設計方案可以有效增強堆石壩面板抗斷裂能力。閆冬[11]利用Hyper works軟件，在保證三支座弧形鋼閘門變形、應力、自振頻率、屈曲因子等要求的前提下進行拓撲優化研究，得到了鋼閘門的最佳拓撲構型。

鑒于泵房結構的特殊功能性要求，在保證結構安全的前提下，針對泵房結構的拓撲優化設計研究鮮有報道。本文結合某泵站工程實例，綜合考慮泵房結構特點和影響泵房結構安全性、經濟性的主要因素，選取泵房結構中的底板、墩墻兩項主體結構，基于拓撲優化理論，在ANSYS平臺上對該泵房結構進行拓撲優化設計。

2 結構拓撲優化設計模型及求解流程

2.1 泵房結構拓撲優化數學模型

采用基于SIMP方法的材料插值模型[12]建立以結構單元密度為優化設計變量、以優化結構的柔度最小（剛度最大、應變能最小）為優化目標函數、以結構整體的體積為約束條件的泵房結構拓撲優化數學模型。

2.2 泵房結構兩階段拓撲優化方法

根據《泵站設計規范》的限定[13]，泵房結構的安全性保證一般分為以下兩個方面：一是泵房結構尺寸滿足施工、水力學計算、機電設備要求等方面的界限約束;二是泵房結構各安全控制指標在規范允許范圍內。在拓撲優化階段，若將此類限制條件作為約束條件，會導致拓撲計算極其復雜，難以求得最優方案。基于以上原因，本文提出了兩階段式的泵房結構拓撲優化求解策略，即獲取滿足拓撲優化的拓撲構型階段和植入拓撲構型的泵房結構工作性態復核兩個階段，從而獲得滿足所有約束條件的拓撲優化方案。兩階段拓撲優化的基本流程如圖1所示。拓撲優化步驟如下。

（1）拓撲優化階段。①定義泵房結構的載荷、設計域、約束及材料相關屬性;②對結構進行網格劃分;③初始化結構單元密度ρe，計算單元剛度矩陣Ke，組裝整體剛度矩陣K;④計算目標結構整體柔度C（ρ），進行目標函數和總體積的敏度分析;⑤使用OC法[14]對設計變量更新，若滿足收斂條件|ρ（k+1）-ρ（k）|ρ（k+1）≤0.01，則輸出目標函數及設計變量值，否則返回步驟③循環迭代。

（2）泵房工作性態復核階段。①泵房結構底板、墩墻拓撲優化形態光滑處理;②植入整體泵房結構，構建泵房、地基整體有限元模型，進行工作性態復核;③若滿足強度、剛度及穩定性等規范安全控制指標要求，則拓撲優化方案安全、可靠，否則返回拓撲優化階段步驟①重新定義。

鑒于泵房結構形式復雜，進行拓撲優化單元數目巨大，即設計變量規模巨大。為提升拓撲優化效率，在拓撲優化階段具體實施中，采取了先分別對底板、墩墻進行拓撲優化，后將拓撲構型共同植入泵房結構進行泵房工作性態復核的策略，從而減少設計變量，提升計算效率。

3 泵房結構拓撲優化

3.1 工程背景

以大、中型泵站工程結構形式中常用的塊基型泵房形式作為典型工程實例。選取某泵站工程，等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級，泵房結構從下至上分為水泵層、流道層、廠房層。泵房為鋼筋混凝土結構，底板采用鋼筋混凝土整體澆筑，采用C30混凝土。泵房共分為4孔，單孔尺寸為5.60 m，橫向寬27.8 m，縱向長25 m，底板厚1.2 m，中墩厚1.0 m，邊墩厚1.2 m。

3.2 拓撲優化模型

大型通用有限元軟件ANSYS提供了Topology Opt 優化處理器對結構進行拓撲優化，不需給出優化參數的顯式表達[15]，只需給出材料特性、有限元模型、載荷條件、邊界條件和刪除的體積分數，物理意義清晰且優化搜索速度快。同時ANSYS具有強大的內力計算能力，便于對復雜的泵房結構進行工作性態分析。因此，本文采用APDL語言編寫了整體泵房結構三維有限元模型和拓撲優化命令流，實現了泵房結構在3種工況下的拓撲優化設計，水位工況見表1。

為提升計算效率，拓撲優化階段采用簡化的泵房結構模型，保留泵房結構中底板、墩墻，未建模部分如流道層、電機層部分及上部結構的自重以荷載形式作用于墩墻。底板、墩墻結構采用solid95六面體單元劃分，網格密度設置為0.2，單元總數為277 452個。地基模型范圍在順水流方向、垂直水流方向和豎直方向各延伸1.5倍泵房長度、寬度和高度，從而消除邊界效應對計算結果的影響[16]。對地基底面施加固定約束，對地基順水流、垂直水流方向施加法向約束[17]。

泵房結構材料采用線彈性本構模型，密度為2 450 kg/m3，彈性模量E0=3×1010 Pa，泊松比為0.168。土體采用理想彈塑性本構（D-P）模型，泵底板土體接觸采用基于摩爾-庫侖摩擦特性的非線性本構，泵房下地基土層分為6層，土體物理力學參數見表2。荷載考慮結構自重（包含上部結構傳遞的力及底板、墩墻自重）、水荷載（包含底板上的水重，墩部水平水壓力、上下游水壓力）、揚壓力（包含作用在泵房底板上的滲透壓力和浮托力）及土壓力，并進行初始地應力計算[13，18]。

3.3 拓撲優化結果及分析

在保留底板、墩墻結構表面0.2 m空間的情況下，分別對底板、墩墻進行拓撲優化設計，結構體積刪除率定為35%，偽密度定為0.8～1.0。底板、墩墻目標函數（結構剛度）隨迭代過程的變化見圖2、圖3。

結果顯示，泵房結構中，偽密度值較小（云圖中呈藍色）的區域被刪除，偽密度值較高（云圖中呈紅色）的區域被保留。底板、墩墻結構的偽密度云圖如圖4、圖5所示。底板最終形成如圖6所示的拓撲形態，墩墻最終形成如圖7所示的拓撲優化形態。經優化處理，泵房結構體積減小了13.7%。

3.4 泵房結構工作性態復核

整體泵房結構采用經光滑處理的底板、墩墻結構，如圖8、圖9所示，進行泵房結構工作性態復核。泵房整體有限元網格以及泵房和地基有限元網格如圖10、圖11所示。

拓撲優化前后結構各項安全技術指標見表3。由計算結果可知，經過優化設計，泵房結構應力略有增大，但均在混凝土抗壓強度和鋼筋混凝土抗拉強度范圍內[19]，材料性能得到充分發揮。泵房沉降及泵房沉降差有所減小，泵房的結構變形得到一定改善。基底應力小幅度減小，降低了泵房結構對地基土的要求。泵房基底應力不均勻系數有所增大，抗滑穩定安全系數減小，但均滿足規范要求。以上結果表明此拓撲優化方案是安全可靠的。拓撲優化能在泵房結構幾何尺寸不易變動的情況下，進一步提升優化空間，獲取經濟、合理的優化設計方案，為類似工程的優化設計提供有益參考。

4 結 論

（1）本文建立了泵房結構拓撲優化數學模型，應用兩階段拓撲優化求解策略，獲得了各項安全指標滿足規范要求的泵房結構拓撲優化形態，提升了泵房結構的經濟性，表明該數學模型及求解策略是正確、有效的。

（2）兩階段拓撲優化求解策略可以有效減少泵房結構在拓撲優化階段的約束條件，降低問題的求解規模，提升計算的效率，此策略可以應用于其他類似復雜結構的最優化設計中。

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【責任編輯 張華巖】