随着水利水电事业的迅速发展和工业生产水平的日益提高,水工钢闸门的规模越来越大,新型结构不断涌现。由于弧形闸门具有封闭的孔口面积大、闸墩高度小、过水条件较好、启闭迅速、埋件少等优点,因此国内外都将弧形钢闸门作为泄洪控制的主要门型。但是,弧形钢闸门在其应用历史中出现了不少事故。调查发现,各类闸门事故都是因支臂失稳引起的,而最终原因在于传统设计方法中存在的问题。目前,设计水工钢闸门主要还是采用传统的设计方法。而且按照传统设计方法设计出的结构整体应力分布不均、较保守、安全系数偏大,致使工程投资增加,造成不必要的浪费,因而有必要对闸门进行优化设计。我国自20世纪中期以来,从数学模型、优化方法以及工程应用的实用性等角度,对水工弧形钢闸门优化设计进行了比较深入的探讨和研究。至目前为止,利用结构拓扑优化理论优化设计水利工程结构的研究成果中尚无比较理想的报道。本文根据结构有限元分析和拓扑优化的相关理论,利用成熟的有限元软件HyperWorks的拓扑优化设计模块,将SIMP算法应用于寻找水工闸门结构全局最优解的优化设计中。本文对弧形钢闸门进行了系统的二维及三维拓扑优化,结合实例设计了新型弧形闸门,包括支臂、挡水面板及其支持框架三个主要部件,并进行了刚度、强度和稳定性等各方面的校核,对弧形钢闸门的拓扑优化设计给出了较为详尽并实用的解决方案。最优设计方案的分析结果表明,结构分析的相关指标都在设计允许范围内,结构优化计算的结果有效,达到了预期的设计目的。本文同时给出了双支臂表孔式和潜孔式弧形钢闸门的设计步骤。设计过程包括3步:首先通过优化分析给出了支臂的位置、拓扑、形状/尺寸以及挡水面板的支撑框架内主梁、次梁的布局方式;其次,通过上述确定的参数构造整体结构;再次,以强度、刚度、和稳定性同时作为约束,对满载条件下的闸门结构进行尺寸优化,确定结构中各种部件的最终设计尺寸。通过实例分析,在确保结构的强度、刚度和稳定性等性能指标具有一定安全裕度条件下,经优化后结构重量较传统设计减重约30%。结构自重的大大降低,不但能够节省材料、降低造价,而且使结构便于安装、操作。在满足规范的情况下,本文工作为钢闸门的优化设计提供了参考依据,可产生明显的经济效益。