周寧娜,南 洪

（1.陜西通信規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，人們的日常生產(chǎn)、生活對(duì)供水系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)，其中農(nóng)業(yè)灌溉供水問(wèn)題成為限制我國(guó)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。小型水電工程因其成本低、實(shí)用性高、架設(shè)便利的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉供水系統(tǒng)、城鄉(xiāng)供水系統(tǒng)里扮演了重要角色。而其中，鋼結(jié)構(gòu)作為上述供水系統(tǒng)的管道及供水、供電運(yùn)作之廠房屋梁乃至承載高壓線之架構(gòu)的主體承重部分，其質(zhì)量規(guī)格的高低直接影響到其承重、負(fù)荷能力，對(duì)依附其上的各要件穩(wěn)固及整個(gè)水電工程的安全、可靠運(yùn)作產(chǎn)生重大影響。但囿于國(guó)內(nèi)在小型水電工程建設(shè)中存在以“最大限度降低成本”為首要目標(biāo)的錯(cuò)誤定位，工程投資被極度壓縮、而用于研發(fā)設(shè)計(jì)科學(xué)合理之鋼結(jié)構(gòu)甚至用于保障水電工程安全性的投資微乎其微，因此，對(duì)小型水電工程的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有緊迫的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)之ANSYS軟件應(yīng)用原理

目前，國(guó)際學(xué)者在對(duì)小型水電工程之鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通常運(yùn)用美國(guó)ANSYS公司研制之有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、整理。該軟件內(nèi)含包括零階方法及一階方法在內(nèi)的兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)模式，能夠滿足我國(guó)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的絕大部分需求。這兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)模式旨在促進(jìn)不同目標(biāo)的達(dá)成，對(duì)于零階方法而言，其主要用于測(cè)量目標(biāo)函數(shù)是否達(dá)到足以適應(yīng)廣譜色合計(jì)變量的狀態(tài)及其完善度的高低，在小型水電工程中可以普遍適用；而對(duì)一階方法而言，其主要用于檢測(cè)目標(biāo)函數(shù)是否能對(duì)存在細(xì)微差異之不同設(shè)計(jì)變量作出靈敏的反應(yīng)，多用于計(jì)算精密、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)以供優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

ANSYS有限元分析軟件遵循“系列分析—數(shù)據(jù)評(píng)估—優(yōu)化修正”三個(gè)主體循環(huán)流程，也即在對(duì)輸入軟件之工程初步設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)分析，再參照工程設(shè)計(jì)擬達(dá)之功效、目的的指標(biāo)對(duì)該初步設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，最后根據(jù)評(píng)估結(jié)果展現(xiàn)出的缺漏、不足之處進(jìn)行有針對(duì)性的、有助于工程達(dá)到安全、高效之優(yōu)化修正；并借助軟件反復(fù)循環(huán)的設(shè)計(jì)軌道，通過(guò)數(shù)據(jù)的反復(fù)檢驗(yàn)、配試不斷完善初步設(shè)計(jì)、整體化提升其性能，直到所有數(shù)據(jù)顯示達(dá)標(biāo)也即設(shè)計(jì)臻于完美狀態(tài)。具體操作中，分析文件作為系統(tǒng)與用戶最直接的對(duì)接窗口，一旦用戶輸入其初始設(shè)計(jì)，文件便將該設(shè)計(jì)編碼成命令流進(jìn)入到ANSYS的系統(tǒng)分析流程，經(jīng)歷前后兩次處理及求解這三個(gè)環(huán)節(jié)；此外，系統(tǒng)通過(guò)預(yù)先設(shè)定之參數(shù)化模型對(duì)目標(biāo)、狀態(tài)及設(shè)計(jì)這三個(gè)變量進(jìn)行比照分析。ANSYS軟件經(jīng)分析文件運(yùn)作后，將自動(dòng)反饋生成一個(gè)優(yōu)化循環(huán)文件，該文件已經(jīng)生成便進(jìn)入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的循環(huán)優(yōu)化處理環(huán)節(jié)中。其具體的優(yōu)化流程原理如圖1所示[1]。

圖 1

2 優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)之ANSYS軟件應(yīng)用實(shí)例

2.1 問(wèn)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(nóng)業(yè)灌溉供水、排水系統(tǒng)以及城鄉(xiāng)日常生產(chǎn)、生活供水等多個(gè)領(lǐng)域，為工程提供源源不斷的動(dòng)力支持。而作為泵站建設(shè)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(jī)、輔機(jī)部分及相關(guān)電氣設(shè)備在內(nèi)的重要配件，其泵房設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低直接決定了工程是否能夠在保障安全、可靠運(yùn)行的前提下，最大限度地降低對(duì)機(jī)電設(shè)備的不必要損耗，延長(zhǎng)其使用年限，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益的工程目標(biāo)。因此，工程設(shè)計(jì)者對(duì)泵房的承重體系，也即鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)、合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為必要。常見(jiàn)的泵房主體設(shè)計(jì)架構(gòu)包括吊車(chē)梁、房屋面板、基礎(chǔ)承重梁、屋架、屋梁等幾部分，優(yōu)良的泵房構(gòu)架設(shè)計(jì)能通過(guò)使得泵房的各個(gè)部分分工協(xié)作，實(shí)現(xiàn)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(dǎo)致斷裂、崩塌現(xiàn)象的出現(xiàn)。而那種為了趕工期而不惜一切代價(jià)、忽視泵房主體構(gòu)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之必要性的小型水電工程在設(shè)計(jì)之初便存在嚴(yán)重的安全隱患，不僅極易釀成人身傷亡事故、其實(shí)際上還造成了工程無(wú)法投入正常使用、資源浪費(fèi)的低效益局面，真可謂是“得不償失”。

目前，我國(guó)的城鎮(zhèn)、農(nóng)村在建設(shè)小型水電工程時(shí)普遍采用如上圖之穩(wěn)定性較強(qiáng)的三角型作為屋架，該設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單便利、施工難度也相對(duì)較低。在三角屋架的設(shè)計(jì)中，如何對(duì)屋蓋承受的包括恒定之屋蓋自身結(jié)構(gòu)重量以及工程中不定之設(shè)備、人員及風(fēng)力重量帶來(lái)的壓力進(jìn)行合理配置、優(yōu)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋架進(jìn)行橫向截面模擬可得出一矩形，圖2為經(jīng)對(duì)稱性考量而簡(jiǎn)化之半邊屋架構(gòu)造之平面視圖[2]。為了便利計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)中盡量縮減設(shè)計(jì)變量的數(shù)值，將矩形截面的寬和高分別設(shè)為1：2。從優(yōu)化設(shè)計(jì)的視角來(lái)看，AB、AC、AD、BC、BD、CD桿是可以進(jìn)行數(shù)據(jù)模型優(yōu)化的變量，其初始值一律設(shè)為80毫米，在進(jìn)入ANSYS軟件后系統(tǒng)自調(diào)幅度為20毫米到180毫米之間。

在整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程中，上述可進(jìn)行數(shù)據(jù)模型優(yōu)化之變量也即鋼結(jié)構(gòu)屋架的各個(gè)組成部位的可承受最大拉力值、壓強(qiáng)值以及撓度是優(yōu)化設(shè)計(jì)中的狀態(tài)變量。系統(tǒng)根據(jù)安全性、可靠性評(píng)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(nèi)，可承受之壓強(qiáng)極限必須控制在187.39MPa范圍內(nèi)，撓度的極限值不得超出13毫米。

圖2

2.2 問(wèn)題的分析

ANSYS軟件對(duì)初始輸入設(shè)值與最終得出之優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖如表1所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，研究者可以直接得出經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，工程原設(shè)定之初始數(shù)據(jù)的合理性、可靠性大大增強(qiáng)，且優(yōu)化設(shè)計(jì)所得出的鋼結(jié)構(gòu)用料僅為原設(shè)計(jì)擬投入用料的百分之六十。為了更加直觀地體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)前后各變量的具體變化，可繪制出其優(yōu)化設(shè)計(jì)中隨著迭代次數(shù)的遞增而各部分桿干的數(shù)值漸趨合理的曲線變化圖如下。

由圖可知，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)修正后之鋼結(jié)構(gòu)屋架的各個(gè)桿干鋼材用量最省，比原先設(shè)計(jì)擬投入使用的鋼料相比實(shí)現(xiàn)了162.12kg的下降，在達(dá)到節(jié)約成本的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)還最大限度地滿足了可承受之壓強(qiáng)、拉力值、撓度介于一個(gè)安全區(qū)間，也即保障了工程建設(shè)的可靠性和安全性，因而在我國(guó)城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉供水、排水系統(tǒng)中具有可推廣價(jià)值。

表1

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)龐大的人口基數(shù)及經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展對(duì)供水系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，興建成本低、實(shí)用性高、安全可靠之小型水電工程為城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉用水難題提供了一條出路。然而在小型水電工程的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)利用ANSYS軟件對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化修正，以達(dá)到以最低成本實(shí)現(xiàn)最佳效益之“帕累托效應(yīng)”，節(jié)約成本、促進(jìn)資源的優(yōu)化配置。

[1]沙魯生.水泵與水泵站[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2001.

[2]朱幽幽,劉禮華.小型水電工程鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的途徑[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2003(04):35-37.