【文章內(nèi)容簡介】 取、壩頂高程=161m。壩底高程為80m，壩高H=16180=81m，上游壩坡坡率取n=0，下游壩坡坡率取m=，壩頂寬度取8m。 圖11 擋水壩剖面設(shè)計(jì) 有限元建模 單元類型首先將壩體簡化建立二維模型，所以單元類型采用PLANE42。在劃分單元之前應(yīng)將材料屬性附給壩體和地基。以便求解的準(zhǔn)確性。PLANE42是2 維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元，用于建立 2 維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型。本單元既可用作平面單元 (平面應(yīng)力或平面應(yīng)變)，也可以用作軸對稱單元。本單元有 4 個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 2 個(gè)自由度，分別為 x 和 y 方向的平移。本單元具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力剛度、大變形以及大應(yīng)變的能力。并有一個(gè)選項(xiàng)可以支持額外的位移形狀。ANSYS的SOLID65單元是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料開發(fā)的單元。它可以模擬混凝土中的加強(qiáng)鋼筋，以及材料的拉裂和壓潰現(xiàn)象。它是在三維8節(jié)點(diǎn)等參元SOLID45的基礎(chǔ)上，增加了針對于混凝土的性能參數(shù)和組合式鋼筋模型。SOLID65單元最多可以定義3種不同的加固材料，即此單元允許同時(shí)擁有四種不同的材料?；炷敛牧暇哂虚_裂，壓碎，塑性變形和蠕變的能力。加強(qiáng)材料則只能承受拉壓，不能承受剪切力。圖12 PLANE42 單元 圖13 SOLID65幾何模型圖：①平面應(yīng)力模型 當(dāng)結(jié)構(gòu)中任何位置點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)（六個(gè)應(yīng)力分量）中某方向上應(yīng)力分量為零，其他兩個(gè)方向上應(yīng)力不為零，這時(shí)三維空間結(jié)構(gòu)處于平面應(yīng)力狀態(tài)。在ANSYS中，模型需要在總體坐標(biāo)系的XOY平面內(nèi)建立，這時(shí)它們具有以下行為特征：1）Z方向上的應(yīng)力為零，但存在應(yīng)變。2）Z方向幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于X和Y方向尺寸。3）只承受XY平面內(nèi)載荷。4）只在XY平面內(nèi)出現(xiàn)位移，Z方向沒有位移發(fā)生。②平面應(yīng)變模型當(dāng)結(jié)構(gòu)中任何位置點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)（六個(gè)應(yīng)力分量）中某方向上應(yīng)力分量為零，其他兩個(gè)方向上應(yīng)變不為零，這時(shí)三維空間結(jié)構(gòu)處于平面應(yīng)變狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸，并且垂直于大尺寸方向的橫截面積總是保持不變形的結(jié)構(gòu)，如大壩壩體可以近似認(rèn)為符合該要求。在ANSYS中，總是將幾何尺寸很大的方向指定為總體坐標(biāo)系的Z方向，模型需要在總體坐標(biāo)系的XOY平面建立模型，這時(shí)它們具有以下行為特征：1）Z方向的應(yīng)變?yōu)榱?，但存在?yīng)力。2）Z方向幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X和Y方向上尺寸。3）只承受XY平面內(nèi)載荷。4）位移只在XY平面內(nèi)發(fā)生。. 4 建立模型1）分析類型本設(shè)計(jì)分析類型為結(jié)構(gòu)分析，所以選擇分析類型為Structural。2）初始建?；炷林亓谓５幕緟?shù)（1）大壩：彈性模量E=，泊松比為=，密度為2400kg/m3，抗拉強(qiáng)度為fc=，抗壓強(qiáng)度ft=22e6Pa。（2）基巖：彈性模量E=，泊松比為=，密度為2700kg/m3。（3）根據(jù)水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，對于重力壩，反應(yīng)譜代表值為βmax=2,Tg=,其中表達(dá)式為： 注：設(shè)計(jì)的基本假定：（4）壩體和壩基連續(xù)，即壩體和壩基之間緊密聯(lián)系在一起；（5）壩基和壩體的材料是均勻的；（6）基巖模型采用線彈性本構(gòu)模型。壩體上下游基礎(chǔ)寬度均取壩高的2倍，基礎(chǔ)深取2倍壩高建模的方法是先創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)創(chuàng)建面，利用布爾運(yùn)算建立基本的平面模型，然后對該平面模型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分是壩體于基礎(chǔ)的接觸面的各個(gè)節(jié)點(diǎn)是否對應(yīng)是關(guān)鍵。平面網(wǎng)格劃分后對該壩體和基礎(chǔ)分別拖拉形成空間模型。 圖14 擋水壩ANSYS建模 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分基本知識(shí)網(wǎng)格劃分是建模中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它將幾何模型轉(zhuǎn)化為由節(jié)點(diǎn)和單元構(gòu)成的有限元模型。網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算精度，甚至?xí)驗(yàn)榫W(wǎng)格劃分不合理而導(dǎo)致計(jì)算不收斂。網(wǎng)格劃分主要包括以下3個(gè)步驟：1）定義單元屬性（單元類型，實(shí)常數(shù)，材料屬性）Main MeauPreprocessorMaterialMaterial Models2）設(shè)定網(wǎng)格尺寸控制 Main MeauPreprocessorMeshing MeshToolSize ControlsLines set3）執(zhí)行網(wǎng)格劃分Main MeauPreprocessorMeshingMeshMeshTool 網(wǎng)格劃分質(zhì)量問題網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算精度，甚至?xí)驗(yàn)榫W(wǎng)格劃分不合理而導(dǎo)致計(jì)算不收斂。劃分網(wǎng)格之前一般需要對網(wǎng)格密度進(jìn)行必要的控制。合理的單元網(wǎng)格密度是獲得高精度的結(jié)果的保證，準(zhǔn)確捕捉場量的分布和梯度變化，如應(yīng)力、應(yīng)變的分布與梯度變化，應(yīng)力集中位置需要相對較密的單元網(wǎng)格，為了捕捉振動(dòng)的波形效應(yīng)必須在一個(gè)波長距離上劃分多個(gè)單元，為了捕捉塑性區(qū)域的產(chǎn)生位置、擴(kuò)展過程以及最終塑性區(qū)域的大小要求在適當(dāng)區(qū)域劃分較密網(wǎng)格等。在實(shí)際工程計(jì)算中，用戶一定要根據(jù)自己的分析目的和問題的性質(zhì)來確定劃分網(wǎng)格的密度控制。很多情況下，例如裂紋分析、應(yīng)力集中等，都要求某個(gè)局部的網(wǎng)格具有比較精細(xì)的劃分，以便獲得精確的結(jié)果。網(wǎng)格細(xì)化的命令在主菜單中的Preprocessor/meshing/modify mesh子菜單中。再者，壩體和基礎(chǔ)的接觸面的節(jié)點(diǎn)是否完全對應(yīng)也是關(guān)鍵。單元網(wǎng)格的劃分也是有限元建模過程的一個(gè)重要的部分，網(wǎng)格劃分的好壞與否直接影響到計(jì)算的精度，在壩趾和壩踵及廊道處的應(yīng)力較大，所以這些地方在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候應(yīng)該進(jìn)一步細(xì)化，有兩種方法可行：1）在為模型按統(tǒng)一比例劃分完后，再在現(xiàn)有單元的基礎(chǔ)上選擇應(yīng)力較大的部位再選擇合適的比例進(jìn)一步細(xì)化。但是采用進(jìn)一步細(xì)化容易對壩體和地基相接觸部位的單元節(jié)點(diǎn)對應(yīng)不上，這對耦合時(shí)容易將壩體和地基接觸初產(chǎn)生剛性面。對求解的精度帶來不利影響。一般采用第二種方法。2）在劃分面之前先將線不等分化，在應(yīng)力集中處線的分段長度小，反之則劃分長度相對較長。然后再將面網(wǎng)格化。網(wǎng)格劃分可以采取先劃分線，再劃分面。 圖15 網(wǎng)格劃分 加載求解1）自由度約束：巖基作為固定端施加全約束，垂直水流流向的上壩基面施加X方向的約束2）主要荷載有：⑴自重 ⑵靜水壓力和動(dòng)水壓力 ⑶揚(yáng)壓力 ⑷浪壓力 ⑸泥沙壓力 (6)土壓力 (7)地震荷載 總體上分為基本荷載和特殊荷載兩種，設(shè)計(jì)混凝土重力壩時(shí)，荷載組合可分為基本組合和特殊組合，基本組合由基本荷載所組成；特殊除相應(yīng)的基本組合外，還包括一種或幾種特殊荷載。擋水壩段設(shè)計(jì)分三種情況，分別是：1）基本組合：設(shè)計(jì)洪水位 :荷載有:自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力2）特殊組合（1）::荷載有:自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力3）特殊組合（2）:正常蓄水位 :荷載有:自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+地震荷載注: 在這里只考慮對壩體影響較大的荷載，如上下游水壓力、泥沙壓力、揚(yáng)壓力、自重。在ANSYS中，加載求解也是很重要的一步，合適的加載和邊界條件將能夠更好的模擬實(shí)際情況；而適當(dāng)?shù)那蠼膺^程的控制將直接影響到求解的精度和所花費(fèi)的機(jī)時(shí)，甚至收斂與否。施加荷載的主要內(nèi)容有：1）施加荷載2）求解過程控制在ANSYS程序中，載荷包括邊界條件和外部或內(nèi)部作用力。對于本設(shè)計(jì)載荷主要以下兩類：1）自由度約束：巖基作為固定端施加全約束，垂直水流流向的上壩基面施加X方向的約束。2）主要荷載有：上、下游靜水壓力；泥沙壓力；揚(yáng)壓力。荷載的梯度計(jì)算公式： 實(shí)體模型加載，選擇主菜單Solution/Define loads/Apply中的分類加載子菜單中的命令。荷載的施加主要考慮三種工況，分別是基本組合、特殊組合（一）和特殊組合（二）。數(shù)據(jù)分別如下：表1—1單位：M上游水位下游水位泥沙高程壩頂高程壩頂寬壩底寬基本組合8特殊組合（一）8特殊組合（二）8 圖16 基本組合施加荷載圖17特殊組合（一）施加荷載圖18特殊組合（二）施加荷載 應(yīng)力分析應(yīng)力的目的是為了檢驗(yàn)大壩在施工期和運(yùn)用期是否滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)也是為研究解決設(shè)計(jì)和施工中的某些問題，如混凝土標(biāo)號(hào)分區(qū)和某些部位的配筋等提供依據(jù)。本設(shè)計(jì)采用彈性理論的有限元法 。1）有限元法計(jì)算的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)： 材料力學(xué)法規(guī)定壩體內(nèi)不容許出現(xiàn)主拉應(yīng)力，而根據(jù)均勻彈性體用有限元法計(jì)算高重力壩時(shí)，上游壩踵都有一個(gè)拉應(yīng)力區(qū),。目前，對用有限元計(jì)算得的壩踵拉應(yīng)力如何考慮，尚無統(tǒng)一規(guī)定。因壩體和巖基均非完全彈性體，用有限元法計(jì)算出上游壩踵處較大的拉應(yīng)力，可能只是造成局部的塑性屈服，而并不一定威脅大壩的安全。2）各工況的應(yīng)力分析：圖形顯示S1主應(yīng)力：選擇菜單Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal Sol彈出Contour Nodal Solution Data對話框，在 Contour Nodal Solution Data選項(xiàng)的左側(cè)列表中選中Stress選項(xiàng)，右側(cè)列表中選擇1st principal S1選項(xiàng)，單擊OK按紐觀察第一主應(yīng)力結(jié)果。圖形顯示S3主應(yīng)力：選擇菜單Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal Sol彈出Contour Nodal Solution Data對話框，在 Contour Nodal Solution Data選項(xiàng)的左側(cè)列表中選中Stress選項(xiàng)，右側(cè)列表中選擇3st principal