大型水工弧门树状柱动力失稳机制及结构优化研究

在弧门支臂拓扑优化研究及主梁结构合理布置研究成果基础上，提出一种新型弧门结构型式- - 树状柱结构。应用有限元法、结构动力学及结构动力稳定理论研究弧门树状柱结构的动力特性及动力稳定性，分析树状柱结构性状、结构阻尼及流固耦合激振对结构动力特性及动力稳定的影响，揭示弧门树状柱结构的动力失稳机制；通过对弧门树状柱结构主梁、树枝、树干之间的单位刚度比及其柔度的研究和节点刚度的等效，提出树干及树枝的动力稳定分析模型，应用解析法分析各杆件的动力稳定性，提出弧门树状柱结构的设计理论与方法。以结构动、静力安全为约束，以经济性目标，应用结构优化理论建立弧门树状柱结构形状与尺寸的组合优化模型，并开发确定弧门树状柱结构最优形状与截面尺寸的软件；通过大量的工程实例证实树状柱结构弧门的优越性，以适应高水头大泄量水利水电工程发展的需求，填补现行规范的空白。

本课题在弧形钢闸门支臂拓扑优化及主梁结构合理布置研究成果基础上，提出一种新型弧门结构形式——树状柱结构，通过对树状柱结构的静、动力稳定性及其优化的研究证明该种结构在稳定性与经济性方面的优势，以适应高水头大泄量水利水电工程发展的需求，填补现行规范的空白，具体工作如下：.(1) 针对树状柱结构的特点，利用二阶弹性稳定分析方法建立树状柱弧门结构的简化力学模型，分析了主框架树形分叉柱平面内和平面外的稳定性，研究了结构设计参数对该结构稳定性影响规律，给出了弧门树状柱计算长度系数的实用计算公式。.(2) 通过特征值屈曲分析方法对一级对称二分支树状柱支臂简化模型和二支臂简化模型进行计算，发现在某一范围内该树状柱支臂简化模型的屈曲荷载大于二支臂的屈曲荷载，并随着树干长度的增大呈现先增大后减小，并在某一长度处达到最大；当树干长度与树支在树干方向投影的长度比值大约在0.6~0.8范围之内时树状柱支臂屈曲荷载达到最大值。 .(3) 针对某工程建立传统支臂弧门和该弧门对应的树状柱支臂弧门的有限元模型，对两种弧门结构进行静力和动力的全面比较，树状支臂弧门相对原弧门设计来说，整体最大位移减小14.7%，最大等效应力仅增加2.1%，弧门基本固有自振频率提高了14.2%，最大稳定控制应力降低31.49%，整体材料用量节省6.24%。.(4) 提出动力刚度法和精确有限元法分析框架结构的动力稳定性。对于框架结构，一个杆件离散为一个单元即可得到精确数值解，并且求解效率高，是分析框架结构动力稳定性的精确、高效的工程实用方法，可以克服以低阶多项式作为形函数的有限元法求解精度差及求解效率低的问题。通过数值算例验证了这两种方法的精度与效率并将其应用于树状柱结构的动力稳定分析中。.(5) 根据结构优化理论，以对树状柱稳定分析成果和结构强度、刚度等作为约束条件，以经济性为优化目标，基于合理布置原则建立表孔弧门树状柱空间框架的组合优化有限元模型，旨在优化树状柱式弧门安全经济的结构布置型式和截面尺寸。.通过全面对比分析，证明树状柱式弧门是一种静、动力性能优良、安全、经济的新型弧门结构形式，为其在工程中的早日应用提供了坚实的理论基础，具有重要的理论意义及工程应用价值。