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【摘 要】船闸是通航建筑物中的重要设施,它的可靠性和运行效率将会直接影响到航运安全和运输效率.本文针对船闸的基本特点,采用粒子群优化算法原理,结合Abaqus有限元计算软件,调用参数化模型和自动剖分程序,以混凝土方量最少为目标函数进行船闸结构优化.
【关 键 词】船闸；自动控制程序；设计
船闸作为一种通航建筑物,需要实现安全、快速放行船舶,为实现这一目标,就需要对船闸的相关设施进行设计优化,利用新技术对船闸的运行调度进行自动化、智能化、规范化改造.船闸运行是按一定的逻辑步骤进行的,即当船只从上游经闸室往下游运行时,闸室和上游的水位相同,船只进入闸室后关闭上游闸门,开启下游船闸的左右输水阀门,闸室水位随之下降,待闸室水位与下游水位平齐,打开下游闸门,船舶出闸,然后开始下一流程,此运行流程即结束.
1船闸自动控制程序设计原理
船闸是由闸室、闸门、引航道,运行系统由控制系统、传动系统、指示系统组成.以一级船闸为例,运行流程分为八个步骤,分别是：开上游阀门、开上游闸门、关上游阀门、关上游闸门、开下游阀门、开下游闸门、关下游阀门、关下游闸门.
船闸控制系统通常有程控/现地电气控制系统,是一个典型的工业控制系统,经过优化电气控制系统优化,宿迁三号船闸采用plc自控系统,由上、下游五台PLC控制柜、三个操作台、五只端子箱、4台备用动力箱组成.集控室安装一个操作台,四闸首机房各安装一端子箱和备用动力箱,主要包含以下几个方面：
1.1电源配置及动力设备.
电控系统的总进线电源为双路400V电源输入,1路投入为整个系统提供电源,另1路为备用电源,备用电源可在主电源中断时自行切换投入.二次回路的电源均采用安全、稳定的UPS供电方式,UPS的输入电源从三相电中抽出一相获得.UPS的电源输出主要是为现地系统提供AC220V的控制回路电源以及为直流整流装置提供电源.
1.2现地控制系统
现地控制系统由三部分组成：上位机系统、通讯系统、LCU系统.
1.3上位机系统
上位机就是使用工业组态软件编写生产工艺流程,以达到直观、清晰的显示现场工艺流程的效果,工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据,方便地构成监控画面和实现控制功能,并可以生成报表、历史数据库等.
2船闸优化设计的具体
中国是建造船闸最早的国家.历史上就有秦始皇三十三年兴建的灵渠上陡门就是利用单闸首上的闸门以调整门前后的水位差,达到船舶克服水位差实现通航.宋代雍熙年间在西河建造了设有输水设备的陡门,是现代船闸的雏形.在美国、德国、前苏联和中国等国家都建有大量现代化船闸.中国目前最大的船闸是葛洲坝船闸,闸室长280米、宽34米、门槛水深5米.从这个情况,可以看出,船闸的程序化发展是在一步步进行的,那么怎样对船闸自动化控制系统进行优化,措施如下：
程序优化设计时,一般只需考虑用户程序的设计.要注意对输入和输出信号,特别是输出信号要作统一操作,扫描周期时间要控制合理,定时器的时间设定值不能小于周期扫描时间.用户程序中如果多次对同一参数进行赋值操作,则最后一次操作结果有效.
2.1参数的优化
结合现有的船闸工程施工图纸,首要任务是对闸首结构的基本形状和结构进行分析总结,提取出闸首最基本的实体结构模型,包括：输水廊道、门库、空箱、阀门启闭机、阀门井、闸门启闭室、闸门及闸门门轴.用基本参数确定闸首的实体结构,通过Vb可视化界面输入基本参数完成建模.然后由船闸设计规范知,船闸廊道尺寸是由水力学特性设计规范求得,因此不作为设计变量.根据船闸工程地质资料和地基开挖状况,可确定船闸模型的外轮廊尺寸,表达外轮廓尺寸的基本参数可以不作为设计变量得使用.
根据船闸结构特点,从最大限度地减少混凝土用量的角度出发,优化设计变量选定为部分矩形空箱的尺寸和部分高程尺寸,从而优化设计变量原始参数和变化范围.
2.2粒子群优化
粒子群优化是根据PSO算法的原理,它指得是：群体中的每个个体都有一个速度（反映位置的改变）,粒子根据速度在搜索空间运动,而且每个个体都有一个记忆单元,记下它曾经到达过的最优位置,整个寻优过程就是个体根据自己先前到达过的最优位置和其邻域中其他个体到达过的最优位置来改变自己的位置和速度,从而趋向全局最优值的聚集一个加速过程.
2.3网格自动剖分
根据船闸闸首结构特征,按照网格划分的原则,确定不同的网格分份参数,并确定分份比例,各个块的网格分份参数和比例必须是独立的,从而建立有限元网格数据.一组独立的参数来表示各个块体3个方向的剖分份数,设置参数时要考虑块体之间的衔接,也就是说块体在公共边方向的份数要相同.
也可以利用Fortran语言编制网格剖分程序.将每个块的分份参数和分份比例导入,从而得到节点和单元的有限元数据.将节点信息和单元信息导入有限元计算软件Abaqus当中,得到船闸闸首结构的有限元模型.根据船闸的结构形式建立几何约束,满足船闸设计规范所规定的各种荷载作用下的应力约束,主拉应力和主压应力不能超过相应的容许值（各不同工况的容许应力可以有所不同）；船闸设计规范所规定的各种荷载作用下稳定约束,其中包括抗滑稳定约束、抗倾稳定约束、抗浮稳定约束.
本文以船闸经济性指标进行优化设计,即满足约束条件的前提下,船闸闸首混凝土体积最小F（x）→min.不同尺寸的船闸结构的混凝土方量可在Abaqus计算结果文件当中直接提取.
2.4模型材料参数及计算工况
船闸是对称结构形式,计算中取模型的一半计算,闸首地基的水平范围可取闸首底部轮廓宽度的2～4倍,地基深度可取闸首底部轮廓宽度&
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