论基于CAD的水闸结构化优化设计

摘 要：水闸为防洪工程中的重要设施，鉴于水闸结构设计时，经常会考虑多种负荷，所得结果再相互比较而决定结构尺寸。在水闸内部结构体设计上，如果能基于计算机辅助设计技术，发展出一套程序使得设计人员能够在各种要求条件下演算出一组最适合的结构设计参数，则可以减少设计与计算时间，同时达到结构减轻重量与高性能要求目标。本文研究了利用计算机辅助设计技术进行水闸结构化优化设计的思路。

关键词：计算机辅助设计结构化设计 进化规划

中图分类号：TV66 文献标识码：A

一、引言

自从有人类的历史以来，人类的生活圈总离不开水源，而其中沿河川两岸腹地更是诸多古文明的发源地。人口及各设施大多集中于河川两岸，致使防洪工程设施增加，水闸等附属设施为都市排水之需亦相对增加。我国幅员辽阔，水力资源丰富，设置水闸可提供防洪、防潮、排水、蓄水等功能。水闸为防洪工程中的重要设施，按照依动力方式可分为：电动式、油压式及手动式等。依外型结构可分为：直立式、倾倒式、弧形等三大类。此外，还有其他多种分类方法。水闸的启闭不当或未能及时发挥正常功能，将造成低漥地区淹水及生命财产损失，引发水闸灾害。

水资源是一种动态的有限资源，其开发与管理是国家建设中重要的一环。我国数十年来社会经济发展，存在如下几个显着的特点：第一，经济快速成长，第二，国民所得大幅提高，第三，产业结构迅速改变，第四，人口快速成长，第五，都市与产业集中发展。在最近几十年的经济发展中，政府持续不断地进行水利工程，开发充裕的水资源。然而，在追求经济发展的过程中，所牺牲的环境与资源社会成本与代价也日益浮现。我国水资源在高度经济发展的过程中，正面临了严重的问题[1]。

水闸(Floodgates)的设置常见于河川、海岸防洪工程、水库、水池与农田水利灌溉沟渠等，主要目的为防洪、防潮、排水、蓄水、灌溉。全国降雨量丰富，但大多集中于夏秋雨季，常造成雨季洪患而旱季缺水的旱涝现象。近年更由于我国经济的繁荣与快速发展，经济发展及社会变迁均极为快速，居民对于河川边际土地与洼地使用的需求激增，原属洪泛区之土地相继开发，造成筑堤、设置水闸、抽水站成为必要的措施之一。历年来，闸门、抽水站管理欠妥善常为发生淹水灾害原因之一，目前则因钢价上扬导致钢制水闸被窃事件不断，因此以纤维强化塑料 (Fiber Reinforced Plastics , FRP)材质水闸来取代传统钢制水闸，以确保防汛整体安全，是今后的发展趋势之一。

纤维强化塑料是属于一种以塑料为基底加上纤维所混合制成的复合材料。而塑料和纤维都是许多含碳化合物所形成的高分子聚合体。FRP 简单的说就像钢筋混泥土中的钢筋与混泥土两种复合材料经过混合后就能有优良的强度，纤维强化塑料所使用的树脂材料具有耐水、耐药、耐热等特性且有良好的表面张力，因此纤维强化塑料复合材料同时具有优良的耐蚀性及高强度，这是其他材料所没有的。鉴于纤维强化塑料水闸结构设计时，经常会考虑多种负荷，所得结果再相互比较而决定结构尺寸，纤维强化塑料水闸在近年来有逐渐取代传统钢制水闸的趋势。在水闸内部结构体设计上，如果能基于计算机辅助设计技术，发展出一套程序使得设计人员能够在各种要求条件下演算出一组最适合的结构设计参数，则可以减少设计与计算时间，同时达到结构减轻重量与高性能要求目标[2-3]。本文研究了利用计算机辅助设计技术进行水闸结构化优化设计的思路。

结构化优化设计

在结构优化设计领域中，依发展历程可分为尺寸优化设计(Size optimization design)、形状优化设计(Shape optimization design)与形式几何优化设计(geometry optimization design)等三类。尺寸优化设计式针对固定的几何形状结构寻求最佳截面积与外观尺寸，Schmit利用数学规划方法进行结构设计，通过改变结构尺寸设计以满足最大应力及变形量等限制条件下，来获取结构的最小重量；随着计算机运算能力增强与CAE(Computer Aided Engineering)分析工具普及，使得结构优化的领域从尺寸优化设计发展到形状优化设计，形状优化设计可以利用曲线来描述结构的边界形态，使得结构优化设计的研究范围更为广泛。形状优化设计为结合几何模型、有限元素分析与优化的方法，成为一个完整且自动化的计算机辅助设计程序，其主要目的在决定一个结构体边界形态，在受到外力因素等限制条件下，设计出最符合目标条件的边界形态。

形式几何优化设计是结构优化设计一个较新的领域，在优化过程中形式几何会改变，最后得到最佳的形式几何，因此可以提供设计者，在进行形状优化设计时所需的好的形式几何。形式几何优化设计过程中主要是着重结构的整体特性，属于概念设计时间；形状优化设计考虑的则是结构区域特性，是属于细部设计。形式几何优化设计的结果，可以作为较佳的初始设计形式几何，再依此形式几何作为形状优化设计的初始设计模型，进行形态优化设计的细部程序，完成整个结构形态优化设计，因此有形式几何优化设计与形状优化设计之整合，是结合形式几何优化设计，与形状优化设计这两个领域的研究。完整的优化设计系统包含了两个分析运算领域，优化运算(Optimization operation)与结构分析工具(Structural analysis tool)两大模块。

在结构分析系统中，能够处理复杂结构运算的数值方法，首推有限元素法(Finite element method , FEM)，近年来在结构领域中多采用有限元素法的计算机商用软件来处理结构分析，以避免复杂的运算与时间的浪费。在商用结构分析软件中ANSYS 为泛用型有限元素分析软件（General-purpose finite element software），利用有限元素法求解，属于CAE（Computer-Aided Engineering，计算机辅助工程分析）软件。广泛应用于学术界与工业界，包括结构应力、应变、振动、动态、热传、流体、电磁场等分析。

二、结构化优化设计

可以大致将水闸区分为四大类：即手动式、自动式、油压式、电动机式。也可以分为垂提式水闸门(直立式)、倾倒式水闸门、弧形水闸门三类。美国陆军工程兵团(U.S Army Corps of Engineers , USACE)所出版的手册中对于水闸的种类与相关规范非常详细，但因年代较久远，具有的参考价值不大。

水闸主要功能在于控制水流，是属于水工结构设施一种，用来关闭输水渠或放水道；相反的开启闸门时可供水或放水。垂提式水闸也称为垂直闸门或冲刷闸门，为矩形闸门扉，靠垂向导轨支撑，在垂向(即重力方向)或近乎垂向，作上下启闭的闸门。垂提式闸门因有平面挡水闸扉，故也称为平面闸门。常见之垂提式闸门包括固定輪闸门与滑动闸门。用在溢洪道之垂提式闸门，其门扉之上游侧通常有面板与水封，以减少闸门槽对水流之效应。垂提式闸门适用在高水头或溢洪道尾水位高之场合。当闸门下游侧之尾水位较高时，适宜采用垂提式闸门，以避免如弧形闸门之支承铰经常浸水导致易腐蚀。垂提式闸门最常作为取水工、排水工或低的卧箕堰顶的控制闸门，本文针对手动垂提式水闸，希望通过进化规划与有限元素分析软件 (Finite Element Analysis,FEA) ANSYS，通过进化规划演算优化结构目标函数值，最终得出一组优化设计参数值。

在1960 年代，John Von Neumann 提出一个自我复制的自动机理论而奠定了遗传传算法的基础；之后John Holland 更延续此观念，而在1975 年发展出进化规划。进化规划主要是以查尔斯.达尔文(Charles Darwin)的进化论为基础，模拟生物界依物竞天择、适者生存的生存演化法则；而进化规划主要是仿真且解释生物界自然进化的过程。每个物种在某个生存环境中彼此互相竞争、淘汰，只有适应性强的物种得以存活及繁衍；并通过复制、、突变等演化方式产生下一代的物种，如此反复进行，最后留下适应性最强的物种。进化规划的搜寻技术是以随机搜寻为基本思路，但是绝非仅是一种单纯的随机搜寻方法；因为保存了演化过程中重要的信息，所以能展现出比单纯的随机搜寻方式更好的求解能力。进化规划的优点在于它是一种强健且有效的搜寻技术，而且相较于其它算法，陷入局部最佳解的机率较小；但其缺点则在于计算时间较传统算法长，但此缺点已由于计算机技术的进步而渐渐的被克服了。由于进化规划的求解能力决定于其运算符的效率，以导引至全局的最佳极点，故已有不少论文在探讨研究如何改良其运算符或加入某些改良政策，期使进化规划更佳完备，搜寻到最佳值的机率增加、运算时间减短、减低过早收敛落入局部最佳解的机会。

三、结论

水闸(Floodgates)的设置常见于河川、海岸防洪工程、水库、水池与农田水利灌溉沟渠等，主要目的为防洪、防潮、排水、蓄水、灌溉。在水闸内部结构体设计上，如果能基于计算机辅助设计技术，发展出一套程序使得设计人员能够在各种要求条件下演算出一组最适合的结构设计参数，则可以减少设计与计算时间，同时达到结构减轻重量与高性能要求目标。本文研究了利用计算机辅助设计技术进行水闸结构化优化设计的思路。本文探讨结构优化设计各项领域的研究方法，包括尺寸优化设计、形状优化设计、形式几何优化设计，论述进化规划之基本理论、目的通过进化规划作优化程序分析，最终代产生设计变量将是全局最佳解或优化设计参数，以达到水闸参数优化设计的研究与分析的目的。

参考文献：

周海燕，邓雪清.黄河小浪底水库水文信息管理系统的设计[J].人民黄河.2002.24(5)：42-43.

Lam,Y.,1997.“An optimal maintenance model using a number of difference actions”,Microelectron. Reliab.37（1997）615-622.

Lam,C.T.,and Yeh,R.H.,1994.“Optimal Maintenance-Policies For Deterioration System Under Various Maintenance Strategies”，IEEE Transactions on Reliability43（1994）423-430.

作者简介：金黄欢（1983.3），男，上海市奉贤区人，大专，上海市奉贤区河道水闸管理所，助理工程师。