（水工结构工程专业论文）基于ANSYS优化的巷道断面设计研究.pdf

摘要 地下结构是地下空间利用的载体，也是矿产资源开发的基本条件，因此工程 设计的优劣将直接影响地下空间利用开发的效果、矿山开发的速度、效益与安全。 鉴于地下结构学科的发展和国民经济建设的需要，对地下工程结构进行优化分析 设计是必要的。 地下工程信息化设计与施工的思想已经越来越为人们所接受和采用，其中如 何正确解决围岩力学参数，一直是一个比较棘手的问题，反分析法为围岩力学参 数的获取提供了一条较为有效的途径。本文根据巷道工程所具有的特点以及监测 项目，利用巷道的位移监测数据进行了围岩计算参数的反演。 最优化方法是进行巷道位移反分析的有力工具，优化方法的合理选择是巷道 位移反分析研究中的关键所在。a n s y s 基于模块化结构，具有简单易操作的优 点，在机械部件优化设计中得到了广泛的应用，而在巷道位移反分析中应用的相 对较少。因此，本文在介绍了目前各种优化算法的基础上，提出运用a n s y s 高 级优化分析模块进行有限元位移直接反分析，并选择使用零阶优化算法实现了对 地质参数的反演分析。同时对巷道的应力及位移情况进行了分析，表明计算结果 符合实际。 断面形式不同，受力特性也必然不同，应根据工程实际及单位自身的相关情 况确定合理的断面形式。在缺乏相应地质资料的条件下，考虑到地质条件的相似 性，所以利用反演的围岩参数对下一段巷道断面提出的三种断面形式分别进行了 支护的优化设计，得出了三种断面形式的最佳支护厚度。 由于巷道设计作为地下工程涉及到许多不确定及模糊因素，所以针对该工程 通过专家咨询、问卷调查的形式对影响巷道设计的几个主要因素进行了模糊综合 评判，最终确定了下一段巷道的断面形式，同时计划在下一段巷道施工的同时进 行巷道的位移监测及反分析，为后续的巷道设计提供参考，希望对其它巷道工程 乃至地下工程的设计施工有一定的借鉴作用。 关键词：地下结构优化设计位移反分析a n s y s 优化模糊评判 a b s t r a c t q u a l i t yo fe n g i n e e r i n gd e s i g ns h o u l dd i r e c t l yi n f l u e n c et h ee f f e c to fu n d e r g r o u n d s p a c eu t i l i z a t i o na n de x p l o i t a t i o na n dt h ee x p l o i t a t i v es p e e d 、b e n e f i t 、s e c u r i t yo f m i n e e x p l o i t a t i o n ，b e c a u s eu n d e r g r o u n ds t r u c t u r ei st h ec a r t i e ro fu n d e r g r o u n ds p a c e u t i l i z a t i o na n dt h eb a s i c a lc o n d i t i o no fm i n e r a lr e s o u r c e s e x p l o i t a t i o n i n c o n s i d e r a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r ea n dt h en m i o n a le c o n o m y c o n s t r u c t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt ow o r ko nt h eo p t i m i z a t i v ea n a l y s i so fu n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e t h ei d e ao fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n go b s e r v a t i o n a ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o nh a s b e e nm o r ea n dm o r ea c c e p t e da n da d o p t e d , a n dh o wt oc o r r e c t l ys e t t l et h ep r o b l e mo f m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h es u r r o u n d i n gr o c ki sa l w a y sah a r dn u tt oc r a c k t h e i n v e r s ea n a l y s i sm e t h o ds u p p l i e sa ne f f e c t i v ew a yt o a c q u i r e t h em e c h a n i c a l p a r a m e t e r so ft h es u r r o u n d i n gr o c k t h ep a p e r , b a s e do nt h ec h a r a c t e r so ft u n n e l s u r r o u n d i n gp r o j e c t sa n dm o n i t o r i n go b j e c t ，p r o c e e d si n v e r s ea n a l y s i sa b o u t t h e c a l c u l a t i o np a r a m e t e ro ft h es u r r o u n d i n gr o c kb ya p p l y i n gt u n n e lm e a s u r e dd a t ao f d i s p l a c e m e n t o p t i m i z a t i o nm e t h o di sap o w e r f u lt o o l t op r o c e e dt u n n e ld i s p l a c e m e n ti n v e r s e a n a l y s i s ，a n di t sr e a s o n a lc h o i c ei st h ek e yt ot h es t u d yo ft u u n e ld i s p l a c e m e n ti n v e r s e a n a l y s i s t h ea n s y s ，b a s e do nm o d u l ec o n s t r u c t i o n , w h i c hi se a s yt ou n d e r s t a n da n d a p p l y ，h a sg o tc o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o ni nm e c h a n i c a lp a r to p t i m i z a t i o nd e s i g n b u t a n s y si sa p p l i e dr e l a t i v e l yl e s si nt u n n e ld i s p l a c e m e n ti n v e r s ea n a l y s i s o nt h eb a s i s o fi n t r o d u c i n gd i f f e r e n tk i n d so fo p t i m a la l g o r i t h mf o rt h em o m e n t , t h ep a p e rt h e n a d v a n c e st op r o c e e df e md i s p l a c e m e n td i r e c t l yi n v e r s ea n a l y s i sw i t ht h ea n s y s s o p t i m i z a t i o nm o d u l e ，a n da c h i e v e st h ei n v e r s ea n a l y s i so fg e o l o g i cp a r a m e t e r sw i t h z e r o o r d e ro p t i m i z a t i o na r i t h m e t i c m e a n w h i l e ，t h ep a p e ra n a l y z e st h es t r e s sa n d d i s p l a c e m e n to ft u u n e l ，t h er e s u l to fw h i c h s h o w si d e n t i c a lw i t hr e a l i t y s e c t i o nf o r md i f f e r s ，t h es t a t i cb e h a v i o rc e r t a i n l yd i f f e r st o o s ow es h o u l d a s c e r t a i ns e c t i o nf o r mr e s p o n da sp r a c t i c ea n dt h es i t u a t i o n so ft h eu n i t so w n o nt 1 1 e c o n d i t i o no fl a c k i n gc o r r e s p o n d i n gg e o l o g i cm a t e r i a la n d c o n s i d e r i n gt h es i m i l a r i t yo f g e o l o g i cc o n d i t i o n ，t h ep a p e ra d v a n c e st h r e es e c t i o nf o r m sf o rt h en e x tt u n n e ls e c t i o n t op r o c e e ds e p a r a t e l yo p t i m i a ls u p p o r t i n gp a r a m e t e rb ya p p l y i n gt h ep a r a m e t e ro ft h e s u r r o u n d i n gr o c ko fi n v e r s ea n a l y s i s ，a n dt h e no b t a i n t h eo p t i m a lt h i c k n e s so f s u p p o r t i n ga b o u tt h r e es e c t i o nf o r m s b e c a u s et u n n e ld e s i g n ，a st h eu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e ，r e l a t i v e ss e v e r a lb l u ra n d f u z z yf a c t o r s ，t h ep a p e rp r o c e e d saf u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o nt h r o u g ht h em e t h o d s o f c o n s u l t i n ge x p e r t sa n di n v e s t i g a t i o nq u e s t i o n n a i r ew h i c ha f f e c t t h et u n n e ld e s i g n u l t i m a t e l yt h en e x t t u n n e ls e c t i o nf o r mi sa s c e r t a i n e d ，m e a n w h i l e ，t h ep r o j e c tp l a n st o p r o c e e dd i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n ga n di n v e r s ea n a l y s i s a n dt h ep a p e rp l a n st os u p p l y r e f e r e n c ef o rt u n n e ld e s i g ni nt h ec o u r s eo fn e x tt u n n e le n g i n e e r i n ga n de v e nt h e d e s i g na n d c o n s t r u c t i o no fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g k e yw o r d s - u n d e r g r o u n ds t r u c t u r e ；o p t i m a ld e s i g n ；d i s p l a c e m e n ti n v e r s ea n a l y s i s ； a n s y s o p t i m a l ；f u z z ye v a l u a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：l 司匀晖 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：叁叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：旧奇浑 签字日期：刁年月，日 导师签名： 答字醐：7 叫吖日 第一章绪论 1 1 地下结构的特点及难点 第一章绪论 随着岩石力学的产生和发展，地下工程设计理论与计算技术也得到迅速发 展，尤其是数值分析方法和计算机水平的迅速发展，使得数值分析方法应用于工 程设计成为可能。然而，目前的现状是，理论分析与实际工程设计仍存在一条难 以逾越的鸿沟，其根本原因就在于地下工程所固有的复杂性【1 】。 地下工程是在岩石或土体中开挖构筑的结构，与地面工程相比，地下工程在 很多方面具有完全不同的特点，主要表现在以下几个方面： 1 工程材料特性的不确定性 由于地质体是经历了漫长的地质构造运动的产物，因此地质体不仅包含大量 的断层、节理、夹层等不连续介质，而且还存在着较大程度的不确定性，其不确 定性主要体现在随空间和时间的变化。 2 工程荷载的不确定性 对于地下工程，工程围岩的地质体不仅会对支护结构产生荷载，同时它又是 一种承载体。因此，不仅作用到支护结构上的荷载难以估计，而且，此荷载又是 随着支护类型、支护时间与施工工艺的变化而变化。所以，对于地下工程的计算 与设计，一般难以准确地确定作用在结构上的荷载类型和量值。 3 破坏模式的不确定性 工程的数值分析与计算的主要目的在于为工程设计提供评价结构破坏或失 稳的安全指标。这种指标的计算是建立在结构的破坏模式基础之上的，然而对于 地下工程，其破坏模式一般难以确定，它不仅取决于岩土体结构、地应力环境、 地下水条件，而且还与支护结构类型、支护时间与施工工艺密切相关。 4 地下工程信息的不完备性 地质力学与变形特性的描述或定量评价取决于所获取信息的数量和质量。然 而，对于地下工程只是获得局部的有限工作面或露头获取。因此，所获取的信息 是有限的、不充分的，且可能存在错误资料或信息。 5 地下工程信息的模糊性 地下工程围岩的力学与变形特征的描述对地下工程的设计与分析是重要的。 但影响岩体工程特性的材料与参数多数是定性的，但节理特征、充填物性质以及 第一章绪论 岩性的描述等，又都具有模糊性。 1 2 巷道设计 1 2 1 巷道设计的基本依据 地下巷道工程也称为井巷工程或巷道工程。巷道工程是为勘探、开拓和有计 划地进行矿床开采，或为了达到某种目的，在矿体或围岩中开凿的进入矿体的通 道。巷道工程设计涉及两个方面的任务：一是巷道工程的位置、断面形状和大小 的确定；二是巷道支护的型式和支护参数的选择。 1 工程地质和水文地质资料 ( 1 ) 设计时应掌握巷道所在地区的工程地质和水文地质资料。如：岩层的厚 度；倾角和岩石坚固系数；岩层地质构造要素( 各层岩石的节理、层理、裂隙发 育状况、褶皱、断裂、破碎带、岩溶的大小、发育特征、具体范围、稳定程度和 可能发生的变化、溶洞充填情况与充填物等) ；岩层的其他物理性质( 容重、抗 压强度、岩石内摩擦角) ；含水层的数量和厚度；含水程度与地下水位标高；水 质分析和水质评价( 对混凝土、金属、岩石的侵蚀性和膨胀性) ；渗透系数；涌 水量及地下水的运动方向等； ( 2 ) 当巷道埋置在表土层中时，还须掌握表土的深度、土壤的颗粒组成、表 土的容重、比重、湿度、饱和度、孔隙度、可塑性、土壤的自然安息角、内摩擦 角、附着力、抗压强度、抗剪强度、抗水性、土壤的渗透系数及冻结深度等； ( 3 ) 当巷道埋置在地震地区时，还须掌握地震类型和裂度以及设计时对地震 的要求； ( 4 ) 当巷道与地表相通时，还应掌握硐e l 附近的地形与其他有关的资料。如： 当地最大洪水位标高和最大积水位标高；附近河流、湖泊和人工集水池的存在情 况及其对于巷道硐口的相对位置和高度；地表水的流量、水位、含砂量；当地的 主要风向及风力等； 2 巷道的服务年限和用途以及通风、防风、卫生要求； 3 运输设备的类型和规格尺寸、坑内外运输的联系； 4 巷道内的装备和管缆的规格尺寸、数量及架设要求； 5 工业场地对硐口的相对位置的要求； 6 ，建筑材料的供应情况。 上述资料的需要情况，应视工程具体情况，分别索取【2 。】。 2 第一章绪论 1 2 2 巷道设计现状 长期以来，巷道工程的设计特别是中小煤矿的设计主要通过工程类比，参照 规范，采用经验法或试算法设计。地下工程设计模型是进行地下工程设计与分析 的基础，目前国内外采用的地下结构设计模型可归纳为四种类型： 1 工程经验类比法 经验类比法是建立在现有工程的基础上，类比设计可分为直接类比和间接类 比。 ( 1 ) 直接类比法。就是将拟建工程的类型、跨度、地质条件、使用要求以 及运营环境与现有条件类似或相近的工程进行比较，由此给出相应的开挖支护工 艺与参数。 ( 2 ) 间接类比法。该法是以工程围岩分类作为类比的桥梁给出设计依据。 2 收敛一约束法 收敛一约束法是以量测的围岩收敛作为监控和设计依据，因此，该法又称监 控量测法。 3 。荷载一结构模型法或结构力学法 该法采用建筑结构的计算模型，计算地下结构在荷载作用下的内力和位移， 由此评价地下结构的稳定性，并以此作为调整与设计结构参数的依据。由于计算 方法多采用结构力学，故称为结构力学法。这类方法包括弹性地基框架、弹性地 基圆环( 全部支承或部分支承) 等。 4 理论分析法 理论分析法通常是将岩土体介质视为具有粘弹塑性的连续介质，并根据平衡 方程、几何方程、物理方程建立地下结构的偏微分方程。( 组) ，求解该偏微分方 程( 组) ，并使其满足边界条件，从而获得地下工程的应力和位移值。 1 2 3 巷道优化设计的必要性 我国煤炭产量居世界首位，煤炭在我国一次能源生产和消费中均占7 0 左 右。根据有关部门预测，在未来2 0 5 0 年内，我国一次能源生产和消费以煤为主 的格局不会改变，所谓的夕阳工业的说法是不科学的。 虽然经过多年的治理整顿，目前全国煤炭企业数量仍在2 万个左右，中小煤 矿数量和产量规模仍占相当大的比重。而与此同时，一些设计技术落后，特别是 巷道设计存在严重的安全隐患的小煤矿，造成了巨大的生命财产损失，同时也严 重败坏了煤炭业界的形象，致使人们谈煤色变。 地下结构是地下空间利用的载体，也是矿产资源开发的基地，因此工程设计 的优劣将直接影响地下空间利用开发的效果、矿山开发的速度、效益与安全。鉴 3 第一章绪论 于地下结构学科的发展和国民经济建设的需要，对地下工程结构进行优化分析设 计是必要的。 巷道是井下生产的动脉，直接影响煤矿生产的经济效益和生产安全。对于中 小煤矿，由于受经济、技术等方面的限制，特别是对于埋深较大的巷道，不愿进 行较大的投入对地质资料等岩体力学性能进行研究，再加上围岩岩性参数及应力 状况十分复杂，初始拟选的断面型式及支护参数等多带经验性。难以适应地质情 况的变化及施工中的变化，导致矿难的发生。 断面形式不同，受力特性也必然不同，应根据工程实际及单位自身的相关情 况确定合理的断面形式。支护参数设计是巷道支护设计实现定量决策的关键所 在。当支护型式确定以后，参数设计正确与否，直接影响到支护效果和经济效益。 当支护参数所提供的支护强度不够，即使支护型式是合理的，也可能控制不住巷 道围岩的严重变形和破坏，最终导致巷道不得不翻修，影响正常生产和经济效益： 当支护参数设计得过于保守，虽然能保证在服务期间的稳定状况，但支护成本必 然偏高。因此，科学地寻找支护参数设计在安全和经济这两方面之间的最佳点， 对安全生产和经济效益的意义是显而易见的【4 】。 针对在工程中遇到的上述问题，在施工中我们往往通过对拱顶沉降、洞周收 敛变形等的实际量测值来反演设计计算参数，再进一步修改和完善设计，并指导 下阶段施工，以做到节约型、安全型生产。 1 3 位移反分析 1 3 1 反分析的必要性 在巷道、地下洞室等地下工程建设中，特别是埋深较大的地下工程，如本工 程中巷道达到了5 0 0 m 埋深，围岩岩性参数以及地应力状况十分复杂，初始拟选 的设计参数等多带经验性，难以适应地质情况的变化及施工中的变化。 巷道工程设计的基本特点是“地质环境复杂，基础信息匮乏。在地下结构 工程数值计算中，做为前提条件的物理、力学参数选取的准确与否，对围岩稳定 分析的结果有着十分重要的影响。但在具体的工程实际中，一方面由于所要分析 的岩体的性态往往十分复杂，并带有其固有的不确定性；另一方面由于岩土体参 数的确定还受到材料的物理性质、荷载大小、加载方式及材料在本次受力以前的 应力历史等各种因素的综合影响，所以，岩体参数的重要性及其难以确定性成为 一对共存的矛盾体，成为岩土界亟待解决的一个问题，并得到岩土界人士的广泛 关注。 4 第一章绪论 随着岩土( 石) 工程建设规模的日益宏大及数量的逐渐增多，以及计算机科学 的飞速进步与推广应用，岩土( 石) 力学学科得到了重大的发展，为了提高岩体参 数取值的准确性和合理性，人们通过不断的研究提出了一种较为有效的综合取值 方法，即根据工程施工期和运行期的原位观测资料来反推岩土介质的基本参数的 方法，也就是反分析法。 所谓的反分析是针对传统的参数取值方法而言的，传统的巷道设计数值计算 方法是先确定岩体的参数，然后建立描述岩土介质力学性状的模型，并将参数用 于具体的数学模型来预测围岩的变形及其内部应力分布来进行断面设计的情况。 在工程实际中，巷道的围岩洞周变形及应力结果往往可以通过现场监测而得到， 所以反分析法就是将现场监测的结果( 如洞周收敛、拱顶下沉以及应力等) 作为己 知条件，利用相应的数学模型及通过一定的数值计算方法来反推出岩土体的参 数，然后将这些参数反馈回模型中，通过计算结果与实测结果的对比来验证参数 的取值是否合理，如结果合理，则可通过参数预测在以后的工况下，围岩可能产 生的应力和变形，用于以后工程的施工和指导，并可以作为已知条件在地质条件 相似的条件下进行巷道的设计。 大量的研究表明，近几十年来发展起来的以现场量测位移为基础的位移反分 析法是反分析法中应用较广的一种重要方法【5 以3 1 。 1 3 2 位移反分析的发展 巷道位移反分析是利用巷道开挖与支护过程中测得的围岩位移反求围岩初 始地应力参数和岩体的力学特性参数的方法。由于位移反分析中输入的围岩变形 值是围岩支护系统在开挖影响的空间域和时间域中力学变化最直接、最明 显、综合性的宏观体现，因此，位移反分析所得的参数从整体上反映了岩体复杂 性、施工方法以及巷道工程结构( 洞室埋深、尺寸、形状和支护参数等) 的影响。 它提供了用较为简单的模型，模拟复杂岩体力学行为的可能性，从而成为巷道工 程设计施工中将理论分析与工程实际相联系的桥梁。目前，位移反分析的一个主 要发展方向就是着眼于提高，主要从事逆问题的信息理论、非线性反演计算、考 虑时空效应的流变反分析以及基于材料损伤特性的反分析研究等。 用于解决岩土工程问题的位移反分析的基本思想是由k a m a g h 在1 9 7 1 年提 出来的，基本方法是根据现场实测的位移，利用有限元方法来计算岩土的力学参 数。日本学者s a k u r a i 在1 9 7 4 年根据围岩的蠕变位移，使用解析方法计算了岩体 的粘滞性系数；在1 9 7 6 年于约翰内斯堡举行的岩土工程勘测研讨会上，k i r s t e m 使用有限元求影响系数，然后代入解析解中，按解析方法确定岩体的弹性模量e ； 1 9 8 0 年意大利的g i o d a 进行了弹塑性位移反分析的研究，他利用位移的实侧值 第一章绪论 来计算岩体的粘聚力、内摩擦角及初始地应力等。 我国学者大体上是从2 0 世纪8 0 年代开始对地下工程的参数和地应力推求方 面进行应用研究的。其中杨志法、冯紫良、杨林德、郭怀志等；张有天等：朱维 申等；王建宇、刘允芳、陶振宇、郑颖人等用不同的方法作了不同的研究。 总之，位移反分析的发展大体上经历了从弹性一粘弹性一弹塑性、有限元一 边界元一有限元边界元混合、平面问题一空间问题的过程。 1 3 3 位移反分析的现状 各种位移反分析方法都基于这样的假设：岩体为均质各向同性。但是实际中 的天然岩体地质条件复杂，而且往往伴随着节理，因而在复杂情况下运用现有的 各种简化的反分析方法来解决工程实际存在的一定问题。除了复杂的地质条件 外，仅就简化了的反分析方法来说，还有很多问题需要处理，如支护与围岩的共 同作用、平面问题反分析的位移丢失、锚杆的作用机理等。随着位移反分析的发 展，它的一些理论方面的问题也迫切需要解决，主要有三个方面，即反分析解的 存在性、唯一性、稳定性问题。这三个方面构成了反分析的成立，缺少任一方面 反分析将不具有任何意义。 位移反分析是伴随着岩土工程实践而产生的，也必然要在工程应用中发展成 熟。我国众多的岩石力学专家和学者特别重视位移反分析的研究和应用，国家也 曾多次将其列为国家自然科学基金资助项目。可以预见，不久的将来位移反分析 这一数值计算方法将会有新的突破，将在工程中得到更广泛的运用。表1 1 列出 了我国位移反分析的一些应用实例。 表1 - 1 位移反分析应用实例 序号工程名称 反分析类型 l引大入秦工程试验洞三维问题弹性位移反分析 2军都山隧道中段东头三维问题弹塑性位移反分析 3某军事地下工程粘弹性位移反分析 4 南水北调工程穿黄试验洞三维问题弹性位移反分析 5长江三峡水电枢纽工程船闸边坡地质探洞三维问题弹性位移反分析 6五强溪水电站船闸边坡粘弹性位移反分析 7长江三峡水电枢纽工程船闸边坡地质探洞双洞解析法位移反分析 8小浪底大跨度试验洞 典型类比分析法位移反分析 9天生桥一级电站 三维问题弹塑性位移反分析 1 0小湾水电站 初始地应力场 l l 施桥复线船闸粘弹性位移反分析 6 第一章绪论 1 4a n s y s 优化应用现状 a n s y s 软件是美国s a s i 公司开发的世界最著名的大型通用有限元分析软 件，采用模块化结构，见图1 1 ，不断吸收当今计算力学与计算机技术最薪成果， 使其在f e a ( 有限元分析) 领域稳居霸主地位。该软件的参数设计优化是一种为了 获得改良的设计而产生一系列有限元设计的计算机技术。工程师定义设计的准则 和约束，并参数化地建立模型。然后，优化子程序控制和执行设计周期，并同时 决定给每一个试验设计用的参数提供哪些新值。a n s y s 设计优化能力非常强大， 广泛地应用于外形、应力、自然频率和温度等方面。 采用如图1 1 所示的a n s y s 优化设计模块，使有限元计算和结构优化一次 计算即可同时完成，提高了计算效率，成果也更合理，因而得到了广泛的应用。 图1 - 1a n s y s 模块结构图 王云仓应用a n s y s 优化技术对水闸的启闭机支撑结构进行了优化【1 句；韩维 涛、张亚新采用a n s y s 优化技术对承压齿轮盘进行了结构优化，使材料节省了 6 7 i 1 5 】；程嫣进行了杆形件冷挤压模具结构优化设计与分析研列1 6 1 ，朱耿军进 行了基于a n s y s 软件平台的弧形闸门结构优化设计【1 7 】，陈水生等对不等截面塔 的连接部位进行了a n s y s 优化设计研究，在满足变形和应力的条件下，节省了 大量的材料，取得了良好的效果【硌之o j 。 从目前掌握的资料看，a n s y s 优化技术应用在机械设计方面较多，主要原 7 第一章绪论 因在于其材料属性研究的相对成熟，受力情况相对清晰。而在土建结构，特别是 地下结构的设计方面应用得很少，这与地下结构的受力特性以及岩土材料的复杂 性有相当大的关系。据统计，与传统设计相比，采用优化设计可以使土建工程降 低造价5 - - 3 0 1 2 。 1 5 本文研究内容 本文以山东某中型煤矿的一段埋深5 0 0 米的试验巷道作为研究对象。由于埋 深较大，地质勘测费用较高，再加上勘测技术方面的限制，对地质资料了解甚少。 为此，根据本区其他巷道的地质状况和经验，开挖了一段试验巷道并在巷道顶部、 底部及两侧布置了测点，对巷道的位移情况进行了监测。希望通过对巷道断面的 位移监测，来修改和完善巷道的初始设计方案，优化断面形式，并对后续施工提 供指导，达到安全生产的同时，尽量减少巷道开挖费用。 本文针对工程的上述情况，做了以下几个方面的研究和工作： 1 在阅读大量文献的基础上，对目前地下结构设计的各种方法及应用情况做 了总结，重点介绍了有限元计算在地下结构分析中的应用，特别说明了喷锚支护 的设计及应用情况。 2 在简要介绍最优化基本原理和方法的基础上，总结归纳了a n s y s 软件优 化技术的原理和优化的基本步骤，并总结了a n s y s 优化设计应用中的几点注意 事项。 3 在介绍位移反分析基本原理的基础上，把a n s y s 高级优化技术应用其中， 并根据位移监测资料对巷道围岩参数进行了位移反分析。 4 对下段巷道的设计在缺乏相应设计资料的条件下，考虑到地质条件相似， 根据参数反演结果，对提出的三种断面形式的支护分别做了优化设计，并分析了 其应力、位移等情况。 5 由于巷道设计作为地下工程涉及到许多不确定及模糊因素，所以针对该工 程通过专家咨询、问卷调查的形式对影响巷道设计的几个主要因素进行了模糊综 合评判，最终确定了下一段巷道的断面形式，同时计划在下一段巷道施工的同时 进行巷道的位移监测及反分析，为后续的巷道设计提供参考。 第二章a n s y s 优化分析设计 第二章a n s y s 优化分析设计 最优化是一个很古老的问题，追求最优目标一直是人类的理想，长期以来， 人们对最优化问题进行了不断的探讨和研究。人们已经熟知传统的结构设计，而 结构优化设计的思想和方法与传统的结构设计则完全不同，是设计概念与方法的 一种革命，它用系统的、目的定向的和有良好标准的过程与方法来替代传统的反 复试验纠错改进的方法。 2 1 概述 2 1 1 优化问题基本概念 最优化起因于数学规划，而数学规划是运筹学的一个分支，近年来，用数学 规划方法所计算的问题已经远远超出了运筹学原有的范围，所以也称数学规划为 最优化【2 l - 2 2 1 。 不同的工程实际问题，其优化方法也有所不同。根据具体的问题采用适当的 优化方法，不仅可以提高优化的效率，同时也是决定能否成功优化的关键。 结合最优化方法的定义，可以给出最优化问题的数学模型如下： 极小或极大f ( x ) ，x = 并满足约束： 五 恐 ： 矗 g ，( x ) o ，i = l ，2 ，m g j ( x ) = 0 ，j = l ，2 ，p ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中：x 是一个玎维向量，称为设计向量：，( x ) 称为目标函数，使目标函 数极小或极大，就是使问题的性能指标为最优；岳( x ) 和旬( 为约束条件，前 者表示不等式约束，后者表示等式约束；行为变量个数，1 7 i 为不等式约束个数， p 为等式约束个数。 9 第二章a n s y s 优化分析设计 2 1 2 优化问题的分类 最优化问题形形色色，具体的数学模型也多种多样。为了便于分析和研究， 从不同的角度出发，常将优化问题进行如下分类： ( 1 ) 根据目标函数的个数分：如果问题中寻优的目标函数有多个，则为多目 标函数变化问题，否则称为单目标优化问题。 ( 2 ) 按设计变量的性质来分，有： 静态最优化设计变量不随时间的改变而变化，是与时间无关的优化问 题，又叫静态规划； 动态最优化设计变量是时间的函数，又叫动态规划。 ( 3 ) 按设计变量确定性性质来分，有： 确定性最优化问题每个设计变量都是确定性的最优化问题： 随机性最优化问题某些设计变量的取值带有随机性的最优化问题。 ( 4 ) 按所包含方程式的特性来分，有： 线性规划目标函数和约束条件均为线性函数关系的最优化问题； 非线性规划目标函数和约束条件中有一个或一个以上非线性关系函数 式的最优化问题，其中二次规划问题是其中的特殊情况。 ( 5 ) 按有无约束条件分为无约束最优化问题和有约束最优化问题。 ( 6 ) 按设计变量容许取值来分，有： 整数规划设计变量只限于取整数的最优化问题，也叫离散规划； 非整数规划设计变量可以取任何实数的最优化问题。 2 1 3 优化问题的求解方法 最优化方法所研究的数学规划问题，是指能够用数学模型表达的最优化问 题，且主要通过数学方法来求解寻优的问题，故亦称数学最优化。数学最优化方 法主要分为解析法和数值法，还包括图解法、试验法与情况研究法等，其主要特 点如下： 。 解析法：利用微分学、变分学及拉格朗日乘子法等经典数学方法直接找出目 标函数的极值。对于有约束问题，可以利用拉格朗日乘子法或约束变分法来求解。 解析法对于简单的问题容易处理，对于高次非线性等复杂问题求解十分困难。 数值法：利用函数局部区域上的一些特性及一些点的函数值等条件，通过数 学迭代程序进行运算，逐步调优并逼近函数的最优点，直至产生出最优解【1 8 】。数 值法一般与计算机技术相结合，不但可以求解复杂的非线性问题，而且速度快、 效率高。 l o 第二章a n s y s 优化分析设计 图解法：对于容易作出图形的较简单的问题，可用几何作图的方法，从图形 上直接找出函数的极值点。 实验法：通过直接实验，进行结果的比较，获得函数的极值或问题的最佳参 数。此法的优点是直观全面，但是局限于变量比较少，如有l - 2 个设计变量的优 化问题，不过对于多维问题也可以固定其他变量，借助图解法研究一两个主要变 量对问题与最优解的影响。 情况研究法：把同一问题的许多可能的典型解进行估计、研究分析，以确定 其最优解。 然而，工程技术问题一般都比较复杂，涉及的变量较多，故解决工程技术问 题中的最优化方法主要以数值法最为典型、最具代表性。 优化设计是寻求最好或最合理的设计方案，面优化方法便是达到这一目的的 手段。不同的工程实际问题，其优化设计的方法也有所不同。根据具体的问题采 用适当的优化方法，不仅可以提高优化的效率，同时也是决定能否成功优化关键。 2 1 4 优化方法 本文中，由于目标函数和绝大部分约束函数都是设计变量的非线性函数，所 以该优化问题是一个非线性规划问题，对于有约束的非线性规划问题的优化方法 有许多种，各方法各有所长，但还没有一个有效的、通用的方法。归纳起来大致 可以分为以下4 类口3 - 2 5 ： ( 1 ) 直接处理约束的方法。例如可行方向法、最速下降法、梯度投影法等， 这类方法需要求函数的导数。 ( 2 ) 直接搜索法。如网格法、单纯形法、复形法等。这类方法不需求函数的 导数。 ( 3 ) 用线性规划法来逐次逼近原问题的方法。如割平面法、序列线性规划法 等。 ( 4 ) 将约束优化问题转化为一系列无约束优化问题来求解，此类方法统称为 无约束最优化问题( s e q u e n t i a lu n c o n s t r a i n e dm i n i m i z a t i o nt e c h n i q u e ，简称 s u m t ) 。这类方法有罚函数法、乘子法等。 2 1 5 优化问题的基本步骤 最优化方法处理各种数学规划问题的步骤，一般可以分为以下几步，即： ( 1 ) 分析待优化的问题，建立最优化问题的数学模型 全面了解和分析待优化的问题，明确设计要求，掌握已知条件，明白设计准 则。在此基础上，确定各种设计参数及关系式，并选定计算精度等。然后将待最 第二章a n s y s 优化分析设计 优化的具体问题加以正确抽象，建立其最优化方法的数学模型。 ( 2 ) 针对具体的数学模型，选用最优化方法 ( 3 ) 编制计算程序、上机计算，求出最优解 对于简单的最优化问题，可以自己上机编程求解；对于复杂的的优化问题， 应当利用已有的某种通用或专用的计算机软件，自己只编写本数学模型的子程序 及输入相关的初始数据，嵌入其中。 ( 4 ) 检验结果并最后决策 对计算出的最优解、最优值进行检验，对算法的收敛性、通用性、简便性、 效率及精度等作出评价，最后确认最优方案。当计算结果与最优化预想的结果相 差甚远时，更需要对结果进行检验，甚至要对原设计方案进行修改与重算，直至 获得最优方案。 综上所述，可将最优化方法处理问题的一般步骤概括为如下流程： 人辱= 2 墨= = 墨= = = 墨= = 互= 冷机 图2 - 1 最优化方法的一般步骤 1 2 第二章a n s y s 优化分析设计 2 2a n s y s 简介及a n s y s 参数化设计语言a p d l 2 2 1a n s y s 简介 在工程建筑领域，无论是科学研究还是实际工程应用，由于复杂的地质环境 和昂贵的模型试验，大型模拟仿真软件的应用越来越广泛；但是从实用性和使用 范围来说，有限单元法则是随着计算机的发展而被广泛应用的一种有效的数值计 算方法。 a n s y s 作为通用的商业有限元软件，是一个知识和智慧密集的复杂高科技 产品，紧跟计算机硬件、软件发展的最新水平，成为功能丰富、用户界面友好、 前后处理和功能完备、使用高效的有限元软件系统，能够有效解决具有复杂工程 背景的难题。自9 0 年代引入我国，已经成功应用于国防军工、土木工程、水利、 矿山开采等工程领域。a n s y s 采用模块化结构，含有多种有限元分析的能力， 包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析。一个典型的a n s y s 分析过程 由创建有限元模型、施加载荷并进行求解和查看分析结果三个步骤组成。a n s y s 不仅提供强大的g t n ( 图形用户界面) 前台应用功能，而且提供了强大的二次开发 接1 2 1 ，包括三大开发语言：用户界面设计语言( u i d l ) 、a n s y s 参数化设计语言 ( a p d l ) 和用户可编程序特性f s ) 【2 6 1 。 2 2 2 参数化的概念 参数化又称参数驱动，从一般意义上说，参数化驱动是一种使用参数快速构 造和修改三维几何模型的数值方法。参数化驱动将所有的设计要素如尺寸、约束 条件、工程计算条件等都视为设计参数。对于一个三维模型，可能的参数会十分 复杂，而且数量很大。而实际由设计者控制的，即能够独立变化的参数一般只有 一小部分，称之为独立参数；其他参数与独立参数有确定的显示或隐式关系而产 生关联，可以通过固定的函数或相关参数联动表达出来，称之为相关参数。相关 参数总是以一定的函数关系式与独立参数发生内在的、必然的联系。一旦独立参 数的数值确定，则相关参数依据相应的函数关系式，其数值也随之确定【2 阳1 1 。 2 2 3a n s y s 参数化设计语言a p d l a p d l 全称是a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ( a n s y s 参数化设计语 言) 。它是一门可用来自动完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立 分析模型的脚本语言，采用f o r t r a n 程序语法的方式进行。利用a p d l 语言 可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显示，从 1 3 第二章a n s y s 优化分析设计 而实现参数化有限元分析的全过程，同时这也是a n s y s 批处理分析的最高技术。 a p d l 具有标量参数、数组参数、表达式和函数、分支和循环、重复功能和缩写、 宏、用户程序等功能，用户可根据需要进行组合使用或单独使用。在本文的优化 分析中主要用到标量参数及表达式和函数功能。 在参数化的分析过程中可以修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同载 荷大小的多种设计方案，极大地提高了分析效率。例如在优化设计时，就必须创 建参数化的分析流程才能对其中的设计参数执行优化改进，达到最优化的设计目 标。 a p d l 允许复杂的数据输入，使用户对任何设计或分析属性有控制权；例如 尺寸，材料，载荷，约束位置和网络密度等。a p d l 扩展了传统有限元分析范围 以外的能力，并扩充了更高级运算包括灵敏度研究，零件库参数化建模，设计修 改及设计优化。 总之，利用a p d l 语言进行有限元分析，具有许多优点。可以减少大量的重 复工作，特别