小型水電工程鋼結構優化設計的途徑

周寧娜,南 洪

（1.陜西通信規劃設計研究院；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065）

0 引言

隨著經濟的發展及城鎮化的推進，人們的日常生產、生活對供水系統提出了巨大的挑戰，其中農業灌溉供水問題成為限制我國農業實現現代化、產業化的瓶頸。小型水電工程因其成本低、實用性高、架設便利的優勢在我國農業灌溉供水系統、城鄉供水系統里扮演了重要角色。而其中，鋼結構作為上述供水系統的管道及供水、供電運作之廠房屋梁乃至承載高壓線之架構的主體承重部分，其質量規格的高低直接影響到其承重、負荷能力，對依附其上的各要件穩固及整個水電工程的安全、可靠運作產生重大影響。但囿于國內在小型水電工程建設中存在以“最大限度降低成本”為首要目標的錯誤定位，工程投資被極度壓縮、而用于研發設計科學合理之鋼結構甚至用于保障水電工程安全性的投資微乎其微，因此，對小型水電工程的鋼結構優化設計具有緊迫的理論和現實意義。

1 優化鋼結構之ANSYS軟件應用原理

目前，國際學者在對小型水電工程之鋼結構進行優化設計時，通常運用美國ANSYS公司研制之有限元分析軟件進行數據分析、整理。該軟件內含包括零階方法及一階方法在內的兩種優化設計模式，能夠滿足我國對鋼結構進行優化設計的絕大部分需求。這兩種優化設計模式旨在促進不同目標的達成，對于零階方法而言，其主要用于測量目標函數是否達到足以適應廣譜色合計變量的狀態及其完善度的高低，在小型水電工程中可以普遍適用；而對一階方法而言，其主要用于檢測目標函數是否能對存在細微差異之不同設計變量作出靈敏的反應，多用于計算精密、準確的數據以供優化設計分析。

ANSYS有限元分析軟件遵循“系列分析—數據評估—優化修正”三個主體循環流程，也即在對輸入軟件之工程初步設計進行系統分析，再參照工程設計擬達之功效、目的的指標對該初步設計進行評估，最后根據評估結果展現出的缺漏、不足之處進行有針對性的、有助于工程達到安全、高效之優化修正；并借助軟件反復循環的設計軌道，通過數據的反復檢驗、配試不斷完善初步設計、整體化提升其性能，直到所有數據顯示達標也即設計臻于完美狀態。具體操作中，分析文件作為系統與用戶最直接的對接窗口，一旦用戶輸入其初始設計，文件便將該設計編碼成命令流進入到ANSYS的系統分析流程，經歷前后兩次處理及求解這三個環節；此外，系統通過預先設定之參數化模型對目標、狀態及設計這三個變量進行比照分析。ANSYS軟件經分析文件運作后，將自動反饋生成一個優化循環文件，該文件已經生成便進入到計算機系統的循環優化處理環節中。其具體的優化流程原理如圖1所示[1]。

圖 1

2 優化鋼結構之ANSYS軟件應用實例

2.1 問題的提出

在小型水電工程中，作為工程“心臟”之泵與泵站必不可少，廣泛用于農業灌溉供水、排水系統以及城鄉日常生產、生活供水等多個領域，為工程提供源源不斷的動力支持。而作為泵站建設中的最重要之部分，泵房容納配備了小型水電工程中包括主機、輔機部分及相關電氣設備在內的重要配件，其泵房設計質量的高低直接決定了工程是否能夠在保障安全、可靠運行的前提下，最大限度地降低對機電設備的不必要損耗，延長其使用年限，達到最佳經濟效益的工程目標。因此，工程設計者對泵房的承重體系，也即鋼結構進行科學、合理的優化設計尤為必要。常見的泵房主體設計架構包括吊車梁、房屋面板、基礎承重梁、屋架、屋梁等幾部分，優良的泵房構架設計能通過使得泵房的各個部分分工協作，實現了承重壓力的均衡、合理分配，防止壓力集中在某一部位而導致斷裂、崩塌現象的出現。而那種為了趕工期而不惜一切代價、忽視泵房主體構架進行優化設計之必要性的小型水電工程在設計之初便存在嚴重的安全隱患，不僅極易釀成人身傷亡事故、其實際上還造成了工程無法投入正常使用、資源浪費的低效益局面，真可謂是“得不償失”。

目前，我國的城鎮、農村在建設小型水電工程時普遍采用如上圖之穩定性較強的三角型作為屋架，該設計方案簡單便利、施工難度也相對較低。在三角屋架的設計中，如何對屋蓋承受的包括恒定之屋蓋自身結構重量以及工程中不定之設備、人員及風力重量帶來的壓力進行合理配置、優化設計是設計的難點所在。對鋼結構屋架進行橫向截面模擬可得出一矩形，圖2為經對稱性考量而簡化之半邊屋架構造之平面視圖[2]。為了便利計算，在實驗中盡量縮減設計變量的數值，將矩形截面的寬和高分別設為1：2。從優化設計的視角來看，AB、AC、AD、BC、BD、CD桿是可以進行數據模型優化的變量，其初始值一律設為80毫米，在進入ANSYS軟件后系統自調幅度為20毫米到180毫米之間。

在整個優化設計的流程中，上述可進行數據模型優化之變量也即鋼結構屋架的各個組成部位的可承受最大拉力值、壓強值以及撓度是優化設計中的狀態變量。系統根據安全性、可靠性評估得出各組成部分的可承受之最大拉力值必須控制在191MPa范圍內，可承受之壓強極限必須控制在187.39MPa范圍內，撓度的極限值不得超出13毫米。

圖2

2.2 問題的分析

ANSYS軟件對初始輸入設值與最終得出之優化設計數據的對比圖如表1所示。

根據數據顯示，研究者可以直接得出經過優化設計，工程原設定之初始數據的合理性、可靠性大大增強，且優化設計所得出的鋼結構用料僅為原設計擬投入用料的百分之六十。為了更加直觀地體現出優化設計前后各變量的具體變化，可繪制出其優化設計中隨著迭代次數的遞增而各部分桿干的數值漸趨合理的曲線變化圖如下。

由圖可知，經優化設計修正后之鋼結構屋架的各個桿干鋼材用量最省，比原先設計擬投入使用的鋼料相比實現了162.12kg的下降，在達到節約成本的經濟效益的同時還最大限度地滿足了可承受之壓強、拉力值、撓度介于一個安全區間，也即保障了工程建設的可靠性和安全性，因而在我國城鎮供水、農業灌溉供水、排水系統中具有可推廣價值。

表1

3 結語

我國龐大的人口基數及經濟飛速發展對供水系統提出了嚴峻的挑戰，興建成本低、實用性高、安全可靠之小型水電工程為城鎮供水、農業灌溉用水難題提供了一條出路。然而在小型水電工程的設計和施工過程中，應當利用ANSYS軟件對初始設計進行優化修正，以達到以最低成本實現最佳效益之“帕累托效應”，節約成本、促進資源的優化配置。

[1]沙魯生.水泵與水泵站[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

[2]朱幽幽,劉禮華.小型水電工程鋼結構優化設計的途徑[J].中國農村水利水電,2003(04):35-37.