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弧形钢闸门是水利枢纽中应用广泛的一种闸门型式。在保障闸门稳定性和实用要求的前提下，开展三维协同设计方法在弧形钢闸门优化设计中的应用研究，探索结构安全性与经济性的最优关系。传统设计方法，一般由设计人员凭借现有工作经验和规范规定暂拟弧形钢闸门尺寸，并进行强度、刚度、稳定性验算，最后根据验算结果对设计方案进行修订。设计过程需要大量的试算、计算量偏大，且设计方案往往过于保守，造成不必要的浪费。但对于相同尺寸的弧形钢闸门，闸门越轻，闸门的动力不稳定性就越大，因此开展弧形钢闸门结构优化研究具有重要的应用和经济价值。以某水利枢纽溢流坝段的弧形钢闸门（长14m，高11.5m）为研究对象，选取闸门各构件的尺寸为优化指标，建立弧形钢闸门的数学优化模型，利用粒子群算法对其进行解算，得到了弧形钢闸门的最优设计方案。基于COMSOL Multiphysics建立了以上尺寸的弧形钢闸门三维有限元模型，验证了设计水位11m以及在闸门完全挡水情况下的闸门的稳定性分析，并计算了干模态与湿模态下弧形钢闸门完全闭合以及0.2m开度下的自振特性。研究结果表明: (1)通过建立弧形钢闸门的数学模型，并利用粒子群算法解算，即可得到弧形钢闸门的最优化设计方案。该设计方案与由传统设计方法得到的设计方案相比，不仅大大减少了设计时间，还能节约钢材的用量，是一种值得推广的弧形钢闸门优化设计方案。 (2)通过三维有限元模型，对前述优化后的弧形钢闸门设计方案进行了验证。研究结果表明，在在设计水位11m以及闸门完全挡水情况下，从强度、刚度、稳定性方面验证了弧形钢闸门模型不发生破坏，说明了该设计方案的可靠性。 (3)弧形钢闸门前两阶的自振频率小于20HZ，有发生共振的危险并对弧形钢闸门进行自振特性分析研究表明在相同模态下，开度越小闸门的自振频率越低。相同开度下湿模态的振动频率比干模态的振动频率低，尤其是在前两阶最为明显，因此流体对闸门振动影响不容忽视。