双曲拱坝优化设计中的几个问题

本文在早先工作的基础上,进一步研究了双曲拱坝的优化设计问题,给出了五心圆双曲拱坝和抛物线双曲拱坝的几何模型,离散几何模型和混合几何模型,对各种拱坝几何模型的特点进行了分析和评述,提出了通过设计变量的缩减而得到几种不同几何模型的方法,给出了两阶段优化方法和边界搜索法,在我国,双曲拱坝的优化设计已开始应用于实际工程,效果显著。本文介绍了为使拱坝优化设计进入实用阶段而采取的一些策略。     

基于凸模型的复杂多学科系统可靠性设计研究

复杂工程系统通常涉及到多个相互耦合的学科,而且其中往往存在不确定性因素。本文采用凸模型描述不确定性变量,将序列优化和可靠性评价方法应用于多学科可靠性优化之中,提出了一种新的多学科系统可靠性设计方法。在该方法中,可靠性分析采用功能度量法,多学科优化方法采用多学科可行方法或者二级系统一体化合成优化方法。数值算例和工程算例说明,该方法求解效率较常规嵌套求解方法效率高,为复杂工程系统的可靠性设计提供了一种新型求解算法。     

基于凸模型的复杂多学科系统可靠性设计研究

复杂工程系统通常涉及到多个相互耦合的学科,而且其中往往存在不确定性因素。本文采用凸模型描述不确定性变量,将序列优化和可靠性评价方法应用于多学科可靠性优化之中,提出了一种新的多学科系统可靠性设计方法。在该方法中,可靠性分析采用功能度量法,多学科优化方法采用多学科可行方法或者二级系统一体化合成优化方法。数值算例和工程算例说明,该方法求解效率较常规嵌套求解方法效率高,为复杂工程系统的可靠性设计提供了一种新型求解算法。     

拱坝-地基动力体系的简化计算模型及其在地震作用下的动力反应分析

通过对拱坝地基的半无限空间动力体系的分析,提出了拱坝－地基动力相互作用问题的简化求解途径,并结合小湾拱坝进行了实际分析。结果表明,这种直接应用于时域求解的简化模型,既反映了影响相互作用的主要因素,又使计算工作量大大减少,结果可靠合理,便于工程上的推广应用,同时为进一步进行非线性体系在时域中的简化计算打下了基础。     

拱坝—地基动力体系的简化计算模型及其在地震作用上的动力反应分析

通过对拱坝地基的半夫限空间动力体系的分析,提出了拱坝－地基动力相互作用问题的简化求解途径,并结合小湾拱坝进行了实验分析。结果表明,这种直接应用于时域求解的简化模型,既反映了影响相互作用的主要因素,又使计算工作量大大减少,结果可靠合理,便于工程上的推广应用,同时为进一步进行非线性体系在时域中的简化计算打下了基础。     

空间结构支座摩擦力问题的研究

本文根据力学概念和库仑摩擦定律,建立了空间结构支座摩擦力问题的精确数学模型并提出了两种解法,即数学规划法和弹簧约束法;同时指出了考虑支座摩擦力作用的结构分析方法。算例表明本文的方法是很有效的。本文的研究成果已应用于实际工程的结构优化设计。     

结构柔顺度拓扑优化的倒变量准则

针对在工程中广泛应用于最大化结构刚度设计的最小化结构柔顺度拓扑优化问题,应用连续体拓扑优化SIMP法,基于倒变量建立了优化模型;应用K-T条件建立了相应的优化准则,并提出了柔顺度过滤方法消除棋盘格现象及网格依赖等数值问题。应用不同的网格,与原准则法及MMA法进行了算法效率比较,与敏度过滤法及密度过滤法进行了优化求解结果及效率的比较。所附MATLAB程序测试表明:所提方法迭代次数最少、运行时间最短,随问题规模增大迭代次数不会增加;与原准则法相比,不用设置运动极限参数,适合求解大规模工程问题。     

能量函数在高拱坝动力优化设计中的应用

针对高地震区高拱坝的抗震设计 ,从高拱坝的动力平衡方程出发 ,导出了基于拱坝体型特征量的状态控制方程 ,提出了拱坝结构抗震动力优化设计的数学模型 ,建立了动力最优化的能量目标函数。应用于小湾拱坝的抗震设计中 ,动力优化方案相对于初始方案 ,在应力指标和大坝体积上均得到改善 ,体现了较好的安全性与经济性 ,表明在动力优化设计中应用能量目标函数对提高拱坝抗震能力有效可行 ,具有综合的“多目标”特征     

油井套管结构的最小成本设计

油井套管的最小成本设计是工程中关心的问题,本文提出了Fibonacci搜索法与相对差商法相结合的套管截面尺寸参数和扶正器布局问题的混合整数-离散变量优化方法,解决了多工况、多约束下套管结构的优化问题,已应用于工程实际。     

拱坝体形优化设计方法及工程应用

本文总结了作者在拱坝优化方面多年研究与实践的经验，特别是在优化模型的塑造、优化方法的选择和近似重分析技术等方面的成果与体会。对多个拱坝工程的实际应用表明，采用拱坝优化技术能够提高设计质量、节省大量的工程投资，具有显著的技术经济效益。已对有关算法建立了相应的软件ＡＤＣＡＳ和ＡＤＯＰＴ，性能良好，可供商用。     

Three-Dimensional Shape Optimization of Arch Dams with Prescribed Shape Functions*, †

Development and application of shape optimization of double-curved arch dams are presented. A mathematical formulation of arch dam design is described, where design variables, objective function, and constraint functions are defined. The geometrical form of the arch dam and part of its load-carrying foundation are described by three-dimensional hyperelements. Design variables are identified as geometrical parameters of these hyperelements. For static analysis of the dam-foundation system, the finite element method is employed with eight node solid elements and an incompatible displacement function. Elements are automatically generated within the hyperelements in each design step. Four different load cases are considered to account for important design specifications. A complete static sensitivity analysis is performed and used in each design iteration. Partial derivatives of element stresses with respect to all design variables are computed within the finite element context. The optimization problem is solved by sequential linear programming. It is demonstrated that practical three-dimensional shape optimization is feasible and economical.     

非线性子结构方法中实现对结构抗震措施阻尼器的数值模拟

应用子结构理论,对设置伸缩横缝的小湾高拱坝结构,分别就正常高水位常遇低水位两种水位工况,考虑坝体伸缩横缝在地震交变荷载作用下反复开合引起的缝面问滑移．接触等效应的影响,坝体一库水的相互作用而产生的动水压力的影响,对坝体的抗震性能进行了地震反应分析。对伸缩缝问设置阻尼器这一新的设计思想进行了可行性的研究,论证推导了阻尼器的计算模型,探讨了阻尼器对坝体结构抗震性能的影响。     

含缝拱坝强震失效破坏振动台试验研究

为探究强震时含缝拱坝结构的承载能力及失效路径,在振动台上开展了一系列拱坝模型强震失效破坏试验。基于弹性力-重力准则设计试验,分别进行了不分缝、只有横缝、诱导缝与横缝联合作用这三种情况的振动台模型试验,试验中考虑了材料率相关性的影响,忽略了库水-拱坝相互作用。结果表明,强震作用时由于设缝处的抗拉能力较低,导致缝位置首先发生开裂,拱向应力的传导路径遭到破坏,此后结构破坏以悬臂梁形式为主;科学合理设置缝的形式和位置,可以有效耗散地震能量,提高拱坝极限承载能力。本文研究结果可为高拱坝的抗震分缝设计和超载能力评估提供试验依据。     

计算机辅助结构优化设计软件MCADS的开发与应用

工程结构优化设计，是将有限元等数值分析方法和数学规划等最优化方法结合起来、优选改进结构设计方案的一种先进技术，它使得工程师不再局限于凭经验和试凑的方法去设计，而是可以科学地高效率地选择最佳设计方案，因而也是结构分析和ＣＡＤ技术向更高层次的发展。本文介绍的ＭＣＡＤＳ是一个通用性的计算机辅助结构优化设计软件，它吸收了结构优化理论研究的成果并采用了面向工程结构设计的实用化技术，具备较强的功能和适用性，已作为商品化软件转让并在许多工业部门得到成功的应用．     

基于仿真和数据驱动的先进结构材料设计

先进结构材料近年来受到材料和结构设计领域的广泛关注,这些材料一般通过多个尺度的结构设计实现各种卓越的性能.在早期的材料设计中,有的基于设计者的丰富经验,从天然拓扑结构中抽象出合理的数学力学模型;有的基于生物系统的结构和功能特点提取出仿生力学模型.然而,仅依靠经验性的巧妙设计很难得到最优的设计方案,通过反复迭代设计和试验...     

混凝土大坝抗震中的力学问题

论述了我国混凝土大坝抗震安全性评价的工程背景和指导思想,着重于简介高拱坝体系特点的线性和非线性地震响应分析方法．讨论了混凝土大坝随机地震响应及其抗震可靠度评估方法．此外,还基于大坝混凝土全级配试件动力试验成果,通过三维细观力学分析,探讨了其动态破坏过程和机理及应用CT技术的验证。     

基于结构自控制的抗震设计方法

根据不同结构形式在地震中表现出迥异的抗震性能这一客观事实 ,提出了既将结构视为使用主体 ,又将其视为抗震主体的一体化抗震设计概念——对结构的拓扑、形状、尺寸和材料的自控制设计 ;从结构的动力状态控制方程出发 ,建立了自控制抗震设计的数学模型和功能函数 ,并应用于小湾拱坝的体型抗震控制设计中 ,获得了合理可行的控制体型 ,控制体型在应力指标和大坝体积上均得到改善 ,体现了较好的抗震安全性与经济性     

拱坝体型的多目标模糊优化设计

在拱坝体型的优化设计中 ,传统的以经济指标为目标函数的数学模型 ,有一定的局限性。本文综合考虑拱坝的安全性与经济性 ,建立了多目标优化设计的数学模型。模型解决了多目标函数及拉应力控制标准的模糊性。小湾拱坝的优化计算结果表明了模型的合理性与可行性     

Reservoir water level effects on nonlinear dynamic response of arch dams

In this study, reservoir water level effects on nonlinear dynamic response of arch dams are investigated. For this purpose, the nonlinear behaviour of the dam concrete is idealized as elasto-plastic using the Drucker–Prager model based on the associated flow rule assumption. Water in the reservoir is represented by the Lagrangian (displacement-based) fluid finite elements. The program NONSAP is modified for elasto-plastic analysis of fluid–structure systems and employed in the response calculations. Nonlinear dynamic analysis of an arch dam subjected to earthquake ground motion is performed for five different water levels. The El-Centro N–S component of the Imperial Valley earthquake, on May 18, 1940, has been used as the ground motion. The crest displacements, the maximum tensile stresses on the upstream and downstream faces of the dam and the time history of the yield function of an element in the dam body are presented. The results obtained from nonlinear analyses for different water levels are compared with each other. It is apparent that the reservoir water level effects must be considered in the elasto-plastic analyses of arch dams to earthquake ground motion.     

影响结构优化理性准则法优化效果的关键问题研究

深入仔细分析决定理性准则法优化效果与优化效率的关键问题——准则是否准确和迭代计算是否收敛。首次提出：在结构优化中,重量作为设计资源除有改善结构性能的一面之外,还会有作为载荷导致结构性能劣化的矛盾的另一面。虚功准则方程组忽略载荷导数,无法考虑重量矛盾作用的另一面,这种忽略不能视为合理近似。因为对于航空航天器、高精度天线和高速运行的机械、车辆等以自重和惯性载荷为主的一大类工程结构,这种忽略导致虚功法,得到的解离最优解相差甚远。导重准则法是严密推导的理性准则法,克服了虚功法准则不准的缺陷,优化效果大幅度提高。理性准则法最后归结为非线性准则方程组的迭代求解,由于工程结构优化的准则方程组难以满足其严格的收敛条件,而可采用步长因子法求解,可以证明使迭代收敛的步长因子一定存在,并可给出步长因子理论取值范围和实际取值方法。以十杆桁架考题和两个天线结构优化为例验证了以上论点。