小型水电工程钢结构优化设计的途径

周宁娜,南 洪

（1.陕西通信规划设计研究院；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065）

0 引言

随着经济的发展及城镇化的推进，人们的日常生产、生活对供水系统提出了巨大的挑战，其中农业灌溉供水问题成为限制我国农业实现现代化、产业化的瓶颈。小型水电工程因其成本低、实用性高、架设便利的优势在我国农业灌溉供水系统、城乡供水系统里扮演了重要角色。而其中，钢结构作为上述供水系统的管道及供水、供电运作之厂房屋梁乃至承载高压线之架构的主体承重部分，其质量规格的高低直接影响到其承重、负荷能力，对依附其上的各要件稳固及整个水电工程的安全、可靠运作产生重大影响。但囿于国内在小型水电工程建设中存在以“最大限度降低成本”为首要目标的错误定位，工程投资被极度压缩、而用于研发设计科学合理之钢结构甚至用于保障水电工程安全性的投资微乎其微，因此，对小型水电工程的钢结构优化设计具有紧迫的理论和现实意义。

1 优化钢结构之ANSYS软件应用原理

目前，国际学者在对小型水电工程之钢结构进行优化设计时，通常运用美国ANSYS公司研制之有限元分析软件进行数据分析、整理。该软件内含包括零阶方法及一阶方法在内的两种优化设计模式，能够满足我国对钢结构进行优化设计的绝大部分需求。这两种优化设计模式旨在促进不同目标的达成，对于零阶方法而言，其主要用于测量目标函数是否达到足以适应广谱色合计变量的状态及其完善度的高低，在小型水电工程中可以普遍适用；而对一阶方法而言，其主要用于检测目标函数是否能对存在细微差异之不同设计变量作出灵敏的反应，多用于计算精密、准确的数据以供优化设计分析。

ANSYS有限元分析软件遵循“系列分析—数据评估—优化修正”三个主体循环流程，也即在对输入软件之工程初步设计进行系统分析，再参照工程设计拟达之功效、目的的指标对该初步设计进行评估，最后根据评估结果展现出的缺漏、不足之处进行有针对性的、有助于工程达到安全、高效之优化修正；并借助软件反复循环的设计轨道，通过数据的反复检验、配试不断完善初步设计、整体化提升其性能，直到所有数据显示达标也即设计臻于完美状态。具体操作中，分析文件作为系统与用户最直接的对接窗口，一旦用户输入其初始设计，文件便将该设计编码成命令流进入到ANSYS的系统分析流程，经历前后两次处理及求解这三个环节；此外，系统通过预先设定之参数化模型对目标、状态及设计这三个变量进行比照分析。ANSYS软件经分析文件运作后，将自动反馈生成一个优化循环文件，该文件已经生成便进入到计算机系统的循环优化处理环节中。其具体的优化流程原理如图1所示[1]。

图 1

2 优化钢结构之ANSYS软件应用实例

2.1 问题的提出

在小型水电工程中，作为工程“心脏”之泵与泵站必不可少，广泛用于农业灌溉供水、排水系统以及城乡日常生产、生活供水等多个领域，为工程提供源源不断的动力支持。而作为泵站建设中的最重要之部分，泵房容纳配备了小型水电工程中包括主机、辅机部分及相关电气设备在内的重要配件，其泵房设计质量的高低直接决定了工程是否能够在保障安全、可靠运行的前提下，最大限度地降低对机电设备的不必要损耗，延长其使用年限，达到最佳经济效益的工程目标。因此，工程设计者对泵房的承重体系，也即钢结构进行科学、合理的优化设计尤为必要。常见的泵房主体设计架构包括吊车梁、房屋面板、基础承重梁、屋架、屋梁等几部分，优良的泵房构架设计能通过使得泵房的各个部分分工协作，实现了承重压力的均衡、合理分配，防止压力集中在某一部位而导致断裂、崩塌现象的出现。而那种为了赶工期而不惜一切代价、忽视泵房主体构架进行优化设计之必要性的小型水电工程在设计之初便存在严重的安全隐患，不仅极易酿成人身伤亡事故、其实际上还造成了工程无法投入正常使用、资源浪费的低效益局面，真可谓是“得不偿失”。

目前，我国的城镇、农村在建设小型水电工程时普遍采用如上图之稳定性较强的三角型作为屋架，该设计方案简单便利、施工难度也相对较低。在三角屋架的设计中，如何对屋盖承受的包括恒定之屋盖自身结构重量以及工程中不定之设备、人员及风力重量带来的压力进行合理配置、优化设计是设计的难点所在。对钢结构屋架进行横向截面模拟可得出一矩形，图2为经对称性考量而简化之半边屋架构造之平面视图[2]。为了便利计算，在实验中尽量缩减设计变量的数值，将矩形截面的宽和高分别设为1：2。从优化设计的视角来看，AB、AC、AD、BC、BD、CD杆是可以进行数据模型优化的变量，其初始值一律设为80毫米，在进入ANSYS软件后系统自调幅度为20毫米到180毫米之间。

在整个优化设计的流程中，上述可进行数据模型优化之变量也即钢结构屋架的各个组成部位的可承受最大拉力值、压强值以及挠度是优化设计中的状态变量。系统根据安全性、可靠性评估得出各组成部分的可承受之最大拉力值必须控制在191MPa范围内，可承受之压强极限必须控制在187.39MPa范围内，挠度的极限值不得超出13毫米。

图2

2.2 问题的分析

ANSYS软件对初始输入设值与最终得出之优化设计数据的对比图如表1所示。

根据数据显示，研究者可以直接得出经过优化设计，工程原设定之初始数据的合理性、可靠性大大增强，且优化设计所得出的钢结构用料仅为原设计拟投入用料的百分之六十。为了更加直观地体现出优化设计前后各变量的具体变化，可绘制出其优化设计中随着迭代次数的递增而各部分杆干的数值渐趋合理的曲线变化图如下。

由图可知，经优化设计修正后之钢结构屋架的各个杆干钢材用量最省，比原先设计拟投入使用的钢料相比实现了162.12kg的下降，在达到节约成本的经济效益的同时还最大限度地满足了可承受之压强、拉力值、挠度介于一个安全区间，也即保障了工程建设的可靠性和安全性，因而在我国城镇供水、农业灌溉供水、排水系统中具有可推广价值。

表1

3 结语

我国庞大的人口基数及经济飞速发展对供水系统提出了严峻的挑战，兴建成本低、实用性高、安全可靠之小型水电工程为城镇供水、农业灌溉用水难题提供了一条出路。然而在小型水电工程的设计和施工过程中，应当利用ANSYS软件对初始设计进行优化修正，以达到以最低成本实现最佳效益之“帕累托效应”，节约成本、促进资源的优化配置。

[1]沙鲁生.水泵与水泵站[M].北京:中国水利水电出版社,2001.

[2]朱幽幽,刘礼华.小型水电工程钢结构优化设计的途径[J].中国农村水利水电,2003(04):35-37.