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优化设计在现代结构设计中已经占有了重要的地位,它能使工程人员从众多的方案中获得较为完善或合适的最优设计,是虚拟设计和制造的重要环节,并贯穿于整个研发和生产过程。结构的拓扑优化是结构优化设计中最富挑战性的研究领域,至今还在不断完善和发展中。本文依据有限元分析和结构拓扑优化的相关理论与步骤,利用成熟的结构优化软件ANSYS,对弧形钢闸门进行了系统的二维及三维拓扑优化,并通过对不同宽高比及弧门半径的表孔闸门三维拓扑分析,初步得到了表孔弧形闸门结构形式的选择范围与各自合理布置参数的取值范围,最后参照优化结果对一实例进行了改进布置设计,使其在强度保持不变或有所加强的基础上,刚度和自振特性得到加强。总结整个分析过程,主要取得了以下成果:(1)基于ANSYS拓扑优化功能对弧形钢闸门进行了二维拓扑优化,在优化过程中将弧门分为横向框架与纵向框架,并分别进行了拓扑优化。在横向框架内主要考察其主横梁悬臂段的最优拓扑参数,给出了不同弧门半径与宽度比的主横梁悬臂最优拓扑参数。在纵向框架内,主要考察了纵梁上下悬臂段和中间段的拓扑最优布置参数,并给出了在不同弧门半径与高度比的情况下闸门纵向框架内的最优拓扑布置参数。(2)本文对表孔及深孔弧形钢闸门进行了系统的三维拓扑优化,得到了弧形闸门空间合理的传力路径。本文三维拓扑优化过程分两步完成,初步优化选取尽可能大的设计域,以保证包含各种可能性的结构形式,二次优化是在初步优化的基础上,将初步优化结果等效处理后作为二次优化的设计域,结果表明本文的处理方法是适用的。最后也给出了不同宽高比及弧门半径条件下的表孔闸门结构形式的选择界限与合理的布置参数取值范围,供设计人员参考。(3)利用功能强大的有限元分析软件ANSYS,建立了弧形钢闸门有限元模型,并对一实例设计结构进行了静动力分析。通过计算,初步掌握弧形钢闸门的应力分布及变形情况,分析了闸门在四种工况下的固有频率和振型。以上这些参数作为后续优化布置结构的对比依据。(4)基于三维拓扑优化结果对弧门进行了改进布置,并对优化布置后的结构进行有限元静动力分析。通过对比优化布置前后闸门结构的强度、刚度及稳定性,验证拓扑优化在水工钢闸门结构应用中的适用性与优越性。