ANSYS重力坝课程设计

重力坝三维仿真分析一、课题背景一座大坝的建成，往往要耗费一两年甚至更长的时间，并且大坝往往涉及到 其下游千万人的生命与财产，因此经济效益和安全可靠是两个十分重要的问题。 如何保证结构安全可靠，一是要求结构设计合理，二是要科学地安排施工期。对 于这样重要而影响因素复杂的建筑物，采用试验来模拟成本太高、周期太长、难 以通过改变试验参数进行设计及优化，而且许多复杂情况无法用试验进行模拟。 现在普遍采用的方法是数值模拟技术即计算机仿真，其中以 ANSYS 有限元分析软 件的应用最为普遍。二、课题分析1重力坝的工作原理及特点重力坝是用浆砌石或混凝土材料修筑而成的挡水建筑物。一般做成上游面近 似垂直的三角形断面，主要依靠坝体的重量，在坝体和地基接触而间产生抗剪强 度或摩擦力，来抵抗水库的水推力，以达到稳定的要求：同时依靠坝体自重产生 的压应力来抵消由于水压力所引起的坝体上游侧面拉应力，以满足坝身强度的要 求。重力坝具有以下几个特点：在枢纽布置中，重力坝的泄水问题比较容易解决在重力坝坝体内还容易布 置泄水孔或水电站的引水管道等。重力坝地基承受很大的压力作用，对地基的要求比-殷的土石坝要高，但比 拱坝的要求低，量力坝一般修建在岩基上。重力坝易于通过较低坝块或底孔进行导流，比土石坝施工导流更为简单和安全。重力坝是大体积混凝土，施工时混凝土的水化发热和散热、硬化收缩将引 起坝体内温度和收缩应力，可能使坝体产生裂缝。坝体材料和地基在一定程度上都是透水的，埂体和地基内的渗流会产生渗透 压力。坝体内的应力分布一般不均匀，较多部位的压应力通常不是很大，没有充分 发挥材料的性能。2重力坝的戴荷作用在重力坝上的载荷主要有以下几种：坝体及其坝上永久设备的自重，上 下游坝面上的静水压力，溢流坝反弧段上的动水压力、扬压力 、泥沙压力、浪 压力、冰压力、地震载荷等。水压力作用在坝面上的静水压力可按静水力学原理计算，分为水平及垂直两个方向 进行；溢流重力坝泄水时，由于动量守恒，泄流面上回产生动水压力。由图8-1 可知：1 1静水水平力：P =-y H 2P =-yH 21213221 1静水垂直力：P = Y mH 2P = Y nH 22 21422式中，H、H为上、下游水深；丫为水的容重；m, n为上、下游坝面坡度。1 2泄水时动水压力的计算可参考水工建筑物。扬压力混凝土内存在着空隙，坝基岩石本身的空隙率很小，但存在着节理裂缝，这就 导致在水库蓄水后，在上、下游水位差的作用下，库水会经过坝体及坝基渗向下 游，不但造成库容损失，还会引起渗透压力，使坝体的有效重量减小。库水经坝基向下游渗透时，渗透水流沿程受到阻力，造成水头损失，如图8-1所示上游坝踵处的扬压力强度为Y H，下游坝址处的扬压力强度为Y H。通1 2 常假设从坝踵到坝址呈直线变化。途中矩形部分是下游水深 H 形成的上举力， 即托浮力：三角形部分是由上下游水位差形成的渗透水流产生的2 上举力，即渗透 压力。坝底扬压力是托浮力与渗透压力之和。 地震载荷 地震载荷包括由建筑物质量引起的地震惯性力、地震动水压力、动土压力， 至于地震对扬压力、浪压力的影响，因其数值较小，常不予考虑。3.重力坝有限元建模：由有限元法求解坝体和基岩位移和应力应变响应时，关键是整体刚度矩阵K。 对于一般的水库大坝，其刚度矩阵应该由坝体和基岩等单元刚度矩阵组合而成， 即 K二K1+K2。其中K1表示坝体单元的总刚度矩阵，既受坝体自身刚度的影响，又受基硇 腑索的影响；K2表示基岩单元的总刚度矩阵，主要取决于所考虑的范围大小及边界约束条件。 数值模拟计算只能在有限的区域内进行，为了减小计算误差，必须选取合适的计算范 圈。根据圣维南原理，若大坝的基础（含坝基和两侧岩石），越大大，则基础边 界约束条件的变化情况对坝体中应力和位移的影响越小。由实际工程研究可知， 当坝体的基础尺寸达到一定范围后，坝体的应力和位移几乎不受计算范围的影响。 所以，在进行一般的水坝数值仿真分析时，有必要先完成如下分析：在外部、内 部条件一致的条件下，改变大坝基础的尺寸，完成相应的分析，比较分析结果， 选择合适的基础尺寸。三、课题内容某一混凝土重力坝，断面如图8-2所示，坝高180m,上游坡面垂直，下坡 面系数m=0.75。坝基上游取1.5倍坝高，下游取2倍坝高，坝基深度取2倍坝 高，埂顶长1.5倍坝高，坝顶宽0.1倍坝高。上游库容lOOm,下游水位800。具 体材料如下。(1) 大坝：100m以下混凝土，弹性模量E=2.85e10Pa,泊松比为v=0.167, 密度为2400kg/m3，张开剪切传递系数为0.3,抗拉强度ft=1.96e6Pa,扰压强度 ft=22e6Pa； 100m以上混凝土，弹性模量E=2.6e10Pa，泊松比为v = 0.167。密度 为2400kg/m3。张开剪切传递系数为0.3,抗拉强度fc=1.2e6Pa,抗压强度 ft=17.5e6Pa。(2) 基岩：弹性模量E=2.9e10Pa，泊松比为0.3.密度为2600kg/m3。(3) 根据水工建筑抗震设计规范，对于重力坝，反应谱代表值为0二2 ,maxT = 0.2，其表达式为：g卩二 1OT +1,0 T 0.10 二 2,0.1 T 0.4卩二（0.2 / T）0-9*2, 0.4 T 3计算的基本假定： 坝体和坝基连续，即坝体与坝基之间紧密联系在一起 坝基和坝体的材料是均匀的，非线性的； 基岩模型采用线弹性本构模型。四、建模与后处理1ELEMENTSDSYS=11I11I1靜111-重力坝模型AN1ELEMENTS109000327000545000763000981000重力及上游静水压力87200261600436000610400784800下游静水压力ELEMENTSPRES-NORM12697600102E124E915600.113E+07.135E+07上游水位产生的渗透压力146E + 0157E+07112Z X720289981667.124E+07.150E+07.177E+07ELEMENTSPRES-NORM扬压力NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1UX(AVG)RSYS=0DMX=.112469SMN=-.019465SMX=.00141612-.017145T4-.012505-.007865X 方向变形图-.00322410 4E-03.001416Y 方向变形图11弋1MN12-.116E+07-400200360856.112E+071NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1EPEL1 (AVG)DMX =.112469SMN =-.441E-05SMX =.673E-04.441E-05.115E-04.274E-04.434E-04.593E-04.355E-05.195E-04.354E-04.513E-04.673E-04第一主应变AN1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1S1(AVG)DMX =.112469SMN =-.154E+07SMX =.188E+07.188E+07第一主应力AN1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1FREQ=1.46USUM(AVG)RSYS=SOLUDMX =.189E-05SMN =.437E-07SMX =.189E-05上.Z X12.249E-06.660E-06.107E-05.148E-05.189E-05第一阶变形图AN1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =3FREQ=1.664USUM(AVG)RSYS=SOLUDMX =.165E-05SMN =.950E-06SMX =.165E-05IXMN.103E-05.118E-05.134E-05.150E-05.165E-05第三阶变形图第五阶变形图.189E-05NODAL SOLUTIONSUB =1FREQ=1.46S1113.74837.66761.58585.504109.422第一阶第一主应力分布1NODAL SOLUTIONSUB =1FREQ=1.46EPTO1 (AVG)DMX =.189E-05SMN =.106E-09SMX =.350E-08MX11.482E-09.124E-08.199E-08.274E-08.350E-08第一阶第一主应变分布NODAL SOLUTIONANZ X1.05136.336106.904142.1891STEP=1SUB =3FREQ=1.664S1(AVG)DMX =.165E-05SMN =1.051SMX =159.83112第四阶第一主应力分布112YE130EZ X151E.724E-09.187E-08.302E-08.416E-08.531E-08473E-0844E-08.531E-08SMXNODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =3FREQ=1.664EPTO1 (AVG)DMX =.165E-05SMN=.151E-09第四阶第一主应力分布284021.63.22.82.4VALU-.41.3751.6251.8752.1252.3752.625TIME1POST26nux1.211.752.252.5nuynuz3.6(x10坝顶中部节点的位移变化图五、计算结果分析由第一主应变的分布我们可以看出，最大第一主应变（拉应变）出现在坝顶，在 下游面与两侧岩石连接处也出现了较大的拉应变，这将可能导致混凝土开裂； 第一主应力的分布中我们可以看出，其最大的应力值是1.88Mpa,显然这个值小 于混凝土的抗拉强度，但是混凝土中还是出现了裂缝，原因是混凝土开裂后将不 能传递拉应力； 在反应谱的作用下，第一阶最大的第一主应力和主应变将出现在上游坝的两侧处 此处的混凝土将首先开裂； 在反应谱的作用下，第四阶最大的第一主应力和应变将出现在下游坝的两侧处， 此处的混凝土将首先开裂。APDL命令流FINI/CLEAR,START/FILNAME,zhongliba,1 !定义文件名/PLOPTS,DATE,0/TRIAD,LBOT/VIEW,1,1,1,1/prep7et,1,plane42et,2,solid65et,3,solid45!定义单元类型1 用于划分网格!定义单元类型2 钢筋混凝土，坝体!定义单元类型3 实体单元，基岩mp,ex,l,2.5el0 !定义材料1弹性模量=2.85el0 （100m以下混凝土）MP,PRXY,1,0.167 mp,dens,1,2400 tb,conc,1,1,9!定义材料1 泊松比=0.167!定义材料1 密度=2400tbdata,0.3,1,1.96e6,22e6!张开剪切传递系数 0.3,抗拉强度 fc=1.96e6pa,抗压强度fs=22e6pamp,ex,2,2.9e10mp,PRXY,2,0.3mp,dens,2,2600 tb,conc,2,1,9!定义材料2弹性模量-2.95e10（100m以上混凝土）!定义材料2 泊松比=0.3!定义材料2 密度=2600tbdata,0.3,1,1.2e6,17.5e6TB,miso,1!建立多自由度表tbpt,defi,0.0002,5000e3!输入数据tbpt,defi,0.0004,9250e3 tbpt,defi,0.0006,13000e3 tbpt,defi,0.0008,16250e3tbpt,defi,0.001,19000e3 tbpt,defi,0.0012,21250e3 tbpt,defi,0.0014,23000e3 tbpt,defi,0.0016,24250e3 tbpt,defi,0.0018,25000e3 tbpt,defi,0.002,25250e3tbplot,miso,k,1k,2,155 k,3,20,180 k,4,0,180!设置关键点 1,2,3,4l,1,2l,2,3l,3,4l,4,1al,1,2,3,4!连接关键点!由已知线生成面!画坝顶矩形!坝基左面矩形!坝基正下方矩形!坝基右面矩形RECTNG,0,20,180,200RECTNG,-300,0,-400,0RECTNG,0,155,-400,0RECTNG,155,535,-400,0RECTNG,-300,535,-400,200 !总矩形AOVLAP,all nummrg,all numcmp,all!将面单元进行粘贴布尔操作!合并重复元素lsel,s,3,5,2lesize,all,5 lsel,s,12,13,1 lesize,all,2 amesh,3!选择线3,5!控制划分单元划分为5段!划分3号面的网格,坝顶矩形lsel,s,2,4,2 lesize,all,18 lsel,s,1 lesize,all,5 amesh,1!同理划分1号面的网格，坝身矩形eplotlsel,s,11 !划分坝体正下方基岩网格lesize,all,5lsel,s,9,10,1 lesize,all,8,4 amesh,2!控制线9,10划分为8份，最后一份比第一份的比值为4eplotlsel,s,14 !同理划分4号面 lesize,all,5,4lsel,s,7 lesize,all,8,4 lsel,s,6 lesize,all,5,0.25 amesh,4eplot lsel,s,15,16,1 !同理划分5号面 lesize,all,8,4lsel,s,8 lesize,all,8,0.25 amesh,5 eplotSAVElsel,s,4,13,9 !同理划分7号面LCCAT,all !合并线4,13 lsel,s,19 lesize,all,5,4 lsel,s,20,21,1 lesize,all,20amesh,7eplotlsel,s,2,12,10 !同理划分6号面 lccat,alllsel,s,17 lesize,all,8,4 lsel,s,18,22,4 lesize,all,20 amesh,6EplotSAVE allsel ! 选择所有 lsel,r,lcca !从中选择合并线 ldele,all !删除选中的合并线EXTOPT,ESIZE,8,0,type,2mat,1VEXT,1,3,2,-150!控制拉伸的单元分数8!选择拉伸后单元类型!选择拉伸后单元材料!将面1,3沿z轴负方向拉伸150!同理拉伸2,4,5面生成坝基EXTOPT,ESIZE,8,0,type,3mat,2VEXT,2,-150VEXT,4,5,1,-150allselEXTOPT,ESIZE,5,4, 比值为4EXTOPT,ACLEAR,1type,3mat,2VEXT,1,7,1,200!选择所有面!控制拉伸的份数为5，最后一份比第一份拉伸方向的尺寸!拉伸后删除源面上的网格!拉伸17面生成侧面基岩local,11,0,-150csys,11DSYS,11!在z轴-150处建立 标号为11的局部坐标系nsym,z,20000,all20000!将全部节点沿x-y面镜像生成新节点，节点的标号增量为ensym,30000,20000,all !在已生成的节点基础上镜像生成单元，单元标号增 量为30000，节点增量为20000eplotnummrg,all !消除空号，使节点连续numcmp,all !合并重复项csys,0dsys,0 nsel,s,loc,x,535 nsel,a,loc,x,-300!选择坝基x轴两侧面的节点施加约束nplotd,all,uxnsel,s,loc,z,200nsel,a,loc,z,-500!同理施加z方向上的约束nplotd,all,uz nsel,s,loc,y,-400 nplot!施加坝基底面的约束d,all,uy allsel eplot SAVEesel,s,type,2eplot!选择单元类型为2的单元，即坝体nsel,s,loc,x,0nsel,r,loc,z,-1.5*200+0.1,-0.1 !选择坝体垂直面上的节点 nsel,r,loc,y,0.1,100-5 !选择坝体受水压力高度的节点esln,s !选择已选节点上的单元nploteplot !显示单元/psf,pres,norm,2,0,1 ! 施加面荷载,压强, 垂直压强,打开轮廓线箭头 线,打开载荷立即显示sfgrad,pres,0,y,0,-9810 !控制施加面荷载的梯度，沿 y 正方向的斜率为 -9810sfe,all,2,pres,9810*100 !在所选单元施加面荷载，9810*100allsel ! 选择施加下游面荷载ESEL,S,TYPE,2 !选择坝体单元nsle,s!选择已选择单元上的节点eplot!显示单元local,12,0,155,90-53.1301024 !定义局部坐标系 12，是一轴沿下游坝面向 上csys,12/PSYMB,CS,1DSYS,12nsel,s,loc,y,0.1,80/sin(0.75)-25 ! 选择下游施加静水压力的节点、单元 nsel,r,loc,z,-300+0.1,-0.1nsel,u,loc,x,-1000,-2esln,snploteplot/PSF,PRES,NORM,2,0,1 !施加下游静水压力 sfgrad,pres,0,y,0,-9810sfe,all,4,pres,9810*80/replotcsys,0 !选择坝体半边的底面单元dsys,0/psymb,cs,1allselnsel,s,loc,y,0 nsel,r,loc,z,-150+0.1,0.1esln,sesel,r,type,2eplotSFCUM,PRES,ADD !设置荷载为叠加荷载 sfe,all,5,pres,9810*80 !施加下游水位产生的浮托力 p0=9810*100/(0.9*0.75*200+0.1*200) !施加上下游水位差产生的渗流压力 sfgrad,pres,0,x,0,-p0sfe,all,5,pres,9810*80/replotallsel !选择另外半边坝底单元施加扬压力nsel,s,loc,y,0nsel,r,loc,z,-300+0.1,-150-0.1esln,sesel,r,type,2eplot*SET,p0,0sfgrad,pres,0,x,0,-p0 sfe,all,3,pres,9810*80*SET,p0,9810*80/(0.9*0.75*200+0.1*200) sfgrad,pres,0,x,0,-p0sfe,all,3,pres,9810*100SFCUM,PRES,replAllsel !全部选择/sol!进入 solutionSolve后处理!分割线!模态分析/soluantype,modal modopt,subsp,10solvesave,dam_dynamic_rstll,dbfinish!反应谱分析/soluantype,spectrspopt,sprs,10,yessvtyp,2sed,1,1,freq,0.38272,0.38902,0.38985,0.41539,0.46302,0.51250,0.56829,0.56905, 0.64561,0.64857!自振周期和反应谱谱值可通过公式得到 sv,1.11523,1.09896,1.09685,1.03597,0.93954,0.85750,0.78135,0.78041,0. 69660,0.69374solvesave,dam_dynamic_rst2,db!模态扩展/soluantype,modalexpass,onmxpand,10,yes,0.005solvefinish!合并模态/soluantype,spectr srss,0.15,dispsolvesave,dam_dynamic_rst4,dbfinish!计算结果分析/post1esel,s,type,2set,lastplnsol,u,x,0,1plnsol,u,y,0,1 !位移变形图plnsol,epto,1,0,1plnsol,s,1,0,1 !第一主应力主应变/device,vector,1 !显示开裂位置plcrack,0,0etable,11,nmisc,53 !将1号积分点的单元状态值赋给变量11etable,22,nmisc,60etable,33,nmisc,67etable,44,nmisc,74etable,55,nmisc,81 etable,66,nmisc,88 etable,77,nmisc,95 etable,88,nmisc,102pletab,11,avg pletab,22,avg pletab,33,avg pletab,44,avg pletab,55,avg pletab,66,avg pletab,77,avg pletab,88,avg!大坝位移变形图/post1/input,mcom esel,s,type,2 eplot set,first plnsol,u,sum,1,1 set,next plnsol,u,sum,1,1 set,next plnsol,u,sum,1,1 !给出3阶变形图set,first plnsol,s,1,0,1 plnsol,epto,1,0,1 set,next plnsol,s,1,0,1 plnsol,epto,1,0,1 !给出1、2阶主应力主应变 !大坝节点位移随时间变化/post26csys,0 nsel,s,loc,y,h nsel,r,loc,z,-0.75*h nsel,r,loc,x,0 nplotnsol,2,1466,u,x,nux nsol,3,1466,u,y,nuy nsol,4,1466,u,z,nuz xvar,1plvar,2,3,4