ANSYS水利工程应用实例分析.docx

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ANSYS水利工程应用实例分析

第5章ANSYS水利工程应用实例分析

本章重点

水利工程

ANSYS重力坝抗震性能分析步骤

ANSYS重力坝抗震性能用实例分析

本章典型效果图

水利工程概述

虽然我国水利资源非常丰富，但河流在地区和时间分配上很不均衡，许多地区在枯水季节容易出现干早，而在洪水季节又往往由于水量过多而形成洪涝灾害。

为了解决这一矛盾，人们修建了许多水利工程来达到防洪、灌溉、发电、供水、航运等目的，促进国民经济建设的发展。

水利工程中各种建筑物按其在水利枢纽中所起的作用，可以分为以下几类:

（1）挡水建筑物用以拦截河流，形成水库，如各种坝和水闸以及抵御洪水所用的堤防等。

（2）泄水建筑物用以宣泄水库〔或渠道）在洪水期间或其它情况下的多余水量，以保证坝（或渠道）的安全，如各种溢流坝、溢流道、泄洪隧道和泄洪涵管等。

（3）输水建筑物为灌溉、发电或供水，从水库（或河道）向库外（或下游）输水用的建筑物，如引水隧道、引水涵管、渠道和渡槽等。

（4）取水建筑物是输水建筑物的首部建筑，如为灌溉、发电、供水而建的进水闸、扬水站等。

（5）整治建筑物用以调整水流与河床、河岸的相互作用以及防护水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷，如丁坝、顺坝、导流堤、护底和护岸等。

由于破坏后果的灾难性，大型水利工程建设的首要目标是安全可靠，其次才是经济合理。

所以说研究大坝等水工建筑物的安全分析、评价和监控，是工程技术人员需要解决的课题，正确分析大坝性态已经成为当务之急。

当前对各种水利工程评价主要采用有限元分析方法，借助各种有限元软件对这些水利工程建筑物进行安全评价，其中应用比较广泛的是ANSYS软件。

目前，ANSYS软件在水利工程中主要应用以下几个方面：

（1）应用各种坝体工程的设计和施工

利用ANSYS软件，模拟各种坝体施工过程以及坝体在使用阶段受到各种载荷（如水位变化对坝体的压力、地震荷载等）下结构的安全性能进行评价，模拟坝体的温度场和应力场，借助模拟结果修改设计或对坝体采取加固措施。

（2）应用于各种引水隧道、引水涵管等设计和施工

利用ANSYS软件，模拟这些工程开挖、支护、浇注、回填过程，分析结构在载荷作用下的变形情况、结构的安全可靠度，以及衬砌支护结构在水压、温度发生变化后产生的变形情况和结构内力，依靠ANSYS模拟结果对结构安全性进行评价。

（3）应用于各种水库闸门的设计和施工

水库闸门在上游水作用下将发生弯曲、扭转、剪切和拉压等组合变形，利用ANSYS中的SHELL63单元来模拟闸门，利用大型结构有限元分析程序ANSYS，对闸门结构进行三维有限元分析，根据分析结果进行强度校核。

ANSYS重力坝抗震性能分析步骤

重力坝是一种古老而重要的坝型，主要依靠坝体自身重力来维持坝身的稳定。

岩基上重力坝的基本剖面呈三角形，上游面通常是垂直的或者稍倾向下游的三角形断面。

重力坝的具有很多优点：

（1）安全可靠。

但剖面尺寸较大，抵抗水的渗漏，洪水漫顶，地震或战争破坏的能力都比较强，因而失事率较低。

（2）对地形、地质条件适应性强，坝体作用于地基面上的压应力不高，所以对地质条件的要求也较低，低坝甚至可修建在土基上。

（3）枢纽泄洪容易解决，便于枢纽布置。

（4）施工方便，便于机械化施工。

（5）结构作用明确，应力计算和稳定计算比较简单。

鉴于重力坝有如此多优点，所以它得到了广泛应用。

但是许多大坝都是建在地震多发和高烈度地区，并且坝还要承受重力、水压力等长期载荷的作用，为确保工程和人民生命财产在偶发地震载荷作用下的安全，需对大坝做抗震安全分析。

重力坝抗震性能分析一般分以下五个步骤：

1、创建物理环境

2、建立模型和划分网格

3、施加边界条件和载荷（地震荷载）

4、求解

5、后处理（查看计算结果）

创建物理环境

在定义坝体抗震性能分析问题的物理环境时，进入ANSYS前处理器，建立这个坝体抗震性能分析的数学仿真模型。

按照以下几个步骤来建立物理环境：

1、设置GUT菜单过滤

如果你希望通过GUI路径来运行ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做的事情就是选择菜单路径：

MainMenu>Preferences，执行上述命令后，弹出一个如图5-1所示的对话框出现后，选择Structural。

这样ANSYS会根据你所选择的参数来对GUI图形界面进行过滤，选择Structural以便在进行坝体抗震性能分析时过滤掉一些不必要的菜单及相应图形界面。

2、定义分析标题（／TITLE）

在进行分析前，可以给你所要进行的分析起一个能够代表所分析内容的标题，比如“DamstabilityAnalysis”，以便能够从标题上与其他相似物理几何模型区别。

用下列方法定义分析标题。

命令：

／TITLE

GUI：

UtilityMenu>File>ChangeTitle

3、说明单元类型及其选项（KEYOPT选项）

与ANSYS的其他分析一样，也要进行相应的单元选择。

ANSYS软件提供了100种以上的单元类型，可以用来模拟工程中的各种结构和材料，各种不同的单元组合在一起，成为具体的物理问题的抽象模型。

坝体用PLANE42单元来模拟。

大多数单元类型都有关键选项（KEYOPTS），这些选项用以修正单元特性。

例如，PLANE42有如下KEYOPTS：

KEYOPT

（2）包含或抑制过大位移设置

KEYOPT（3）平面应力、轴对称、平面应变或考虑厚度的平面应力设置

KEYOPT（5）解输出控制

设置单元以及其关键选项的方式如下：

命令：

ET

KEYOPT

GUI：

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete

图5-1GUI图形界面过滤

4定义单位

结构分析只有时间单位、长度单位和质量单位三个基本单位，则所有输入的数据都应当是这三个单位组成的表达方式。

如标准国际单位制下，时间是秒（s），长度是米（m），质量是千克（kg），则导出力的单位是kgm/s2（相当于牛顿N），材料的弹性模量单位是kg/ms2（相当于帕Pa）。

命令：

/UNITS

5、定义材料属性

大多数单元类型在进行程序分析时都需要指定材料特性，ANSYS程序可方便地定义各种材料的特性，如结构材料属性参数、热性能参数、流体性能参数和电磁性能参数等。

ANSYS程序可定义的材料特性有以下三种：

（1）线性或非线性。

（2）各向同性、正交异性或非弹性。

（3）随温度变化或不随温度变化。

因为进行坝体抗震性能分析时，ANSYS默认谱分析将忽略材料非线性，因此，坝体抗震性能分析模型采用弹性模型，只需要定义坝体材料属性中：

容重、弹性模量、泊松比。

命令：

MP

GUI：

MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels

或MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Other>ChangeMatProps>MaterialModels

坝体静力分析时可考虑材料的非线性，但进行抗震性能分析时，需要将非线性参数：

内摩擦角和内聚力删除。

建立模型和划分网格

创建好物理环境，就可以建立模型。

在进行坝体抗震性能分析时，需要建立模拟坝体的PLANE82单元。

在建立好的模型指定特性（单元类型、选项和材料性质等）以后，就可以划分有限元网格了。

通过GUI为模型中的各区赋予特性：

1、选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshAttributes>PickedAreas

2、点击模型中要选定的区域。

3、在对话框中为所选定的区域说明材料号、实常数号、单元类型号和单元坐标系号。

通过命令为模型中的各区赋予特性：

ASEL（选择模型区域）

MAT（说明材料号）

TYPE（指定单元类型号）

建立大坝模型时，坝体和地基是赋予不同材料属性，本文只进行坝体抗震性能分析。

进行大坝3-D模拟分析时，用SOLID65模拟混凝土单元和SOLID45模拟岩石单元的，2-D模拟分析时，只需用一个PLANE42单元就可以。

施加约束和荷载

在施加边界条件和荷载时，既可以给实体模型（关键点、线、面）也可以给有限元模型（节点和单元）施加边界条件和荷载。

在求解时，ANSYS程序会自动将加到实体模型上的边界条件和载荷转递到有限元模型上。

重力坝抗震性能分析中，主要是给坝体底部施加自由度约束。

命令：

D

作用在重力坝上的荷载包含水压力、冰压力、泥沙压力、地震力及坝体自重荷载等。

（1）自重荷载。

由坝体体积和材料的容重算出。

（2）静水压力。

作用在坝面上的静水压力可根据静水力学原理计算，分为水平力及垂直力。

水平力：

（5-1）

垂直力：

（5-2）

式中：

为水容重，H1代表上游水深，n代表上游坝面坡度系数。

同理可求得下游坝面的总静水压力的水平向分力及垂直分力。

（3）扬压力。

重力坝坝体混凝土或浆砌石砌体不是绝对不透水的，它们的表面及内部存在着无数微小的孔隙，坝基岩石本身孔隙虽然很少，但是也存在着节理、裂隙。

重力坝建成挡水后，在上下游水位差的长期作用下，上游的水将通过这些孔隙及坝体和坝基的接触面、坝基的节

理裂隙等向下游渗透，从而使得坝体内和坝底面产生渗透水压力。

（4）动水压力。

在溢流面上作用有动水压力，坝顶曲线和下游面直线段上的动水压力很小，

可忽略不计。

只计算反弧段上的动水压力。

（5）冰压力。

在寒冷地区水库表面冬季结成冰盖，当气温回升时，冰盖发生膨胀，因而对

挡水建筑物上游面产生冰压力。

（6）泥沙压力。

水库蓄水后，入库水流挟带泥沙，逐年淤积在坝前，对坝面产生泥沙压力。

（7）浪压力。

浪压力与风速和水库吹程有关，但在荷载中所占比重较小，通常忽略。

（8）地震荷载。

主要是由建筑物质量引起的地震惯性力、地震动水压力和动土压力。

求解

1.静力求解

首先对重力坝进行静力求解：

在ANSYS程序根据现有选项的设置，从数据库获取模型和载荷信息并进行计算求解，将结果数据写入到结果文件和数据库中。

得到坝体在静力荷载作用下的位移场与应力，了解坝体在设计条件下的工作形态，对混凝土重力坝方案的可靠性进行评价评价大坝

命令：

SOLVE

GUI：

MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS

2.动力分析求解

由于地震时的地面运动以水平方向为主，在地震力作用下结构的振动也以水平振动为主，故本次分析只考虑了水平方向的地震载荷的作用。

对重力坝抗震性能计算分析可以采用以下几种方法：

1）拟静力法

拟静力法是一种把地震的影响用一种折算的静载荷来表示，求出这种地震荷载后，按照常规的静力法进行坝体的各项应力、位移的抗震分析方法。

它是假定地震时与地面加速度相同的加速度作用在坝体各部位，求出地震时的惯性力，然后根据惯性力来评价大坝的安全性。

根据拟静力分析方法，大坝的水平地震惯性力可简化为：

（5-3）

式中：

——水平向地震系数，为地面最大水平加速度代表值与重力加速度的比值；

——综合影响系数，重力坝取为1/4；

——地震惯性力系数；

——产生惯性力的建筑物的总重量。

采用拟静力法计算重力坝的地震作用效应时，水深h处的地震动水压力的代表值的计算：

（5-4）

式中：

——作用在直立迎水坝面水深h处的动水压力代表值；

——水平向地震加速度的代表值，地震烈度为8时对应的值是；

——地震作用效应折减系数，除另有规定外，取；

——水深h处的地震动水压力分布系数；

——水体质量密度的标准值；

——水总深度。

与水平面夹角为

的倾斜迎水坝面，按公式（5-4）计算的动水压力代表值乘以折减系数：

（5-5）

2）反应谱分析法

反应谱分析法是以单质点弹性体系在实际地震过程中的反应为基础，来进行结构反应的分析，它通过反应谱巧妙地将动力问题静力化，使得复杂的结构地震反应计算变得简单易行。

按照这一理论，应用地震谱曲线，就可以按照实际地面运动来计算建筑物的反应。

反应谱是单点弹性体系对于实际地面运动的最大反应和体系自振周期的函数关系。

对于复杂的结构可以简化为若干振型的叠加，每个振型又可转化为一个单质点来考虑。

使用已经确定的设计反应谱计算重力坝在地震作用下的反应，就归结为寻求坝体的自振特性。

地震产生的破坏，与受力大小和受频谱的最大振动的持续时间的都有关系。

在进行谱分析计算前，首先要计算大坝的自振特性。

模态分析用于确定结构的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是结构承受动态荷载设计中的重要参数，也是更详细的动力分析的基础。

模态分析计算中采用了子空间迭代法提取模态。

水深h处的地震动水压力的作用按公式（5-6）转化为相应的坝面附加质量。

（5-6）

根据如图5-2所示的大坝设计的反应谱曲线图，可得大坝反应谱曲线方程：

（5-7）

图5-2大坝设计反应谱

本次重力坝抗震性能分析中，

取值为2，

取值为，特征周期

取值为。

3）时程分析法

时程分析方法是将地震动记录或人工波作用在结构上.直接对结构运动方程进行积分，求得结构任意时刻地震反应的分析方法，所以动态时程分析方法也称为直接积分法。

本次大坝抗震性能实例分析采用反应谱分析方法。

后处理

后处理的目的是以图和表的形式描述计算结果。

对于大坝抗震性能分析中，进入后处理器后，查看大坝变形图和节点的位移和应力。

通过研究大坝的变形、位移和应力情况，来综合判断大坝的抗震性能及安全性能。

命令：

／POST1

GUI：

MainMenu>GeneralPostproc

首先查看大坝静力分析求解结果，再查看大坝动力分析求解结果。

ANSYS重力坝抗震性能实例分析

实例介绍

图5-3重力坝断面结构

实例选取应用非常广泛的重力坝，断面结构如图5-3所示。

坝高120米，坝底宽为76米，坝顶为10米，上游坝面坡度和下游坝面坡度如图中所示。

因为重力坝结构比较简单，垂直于长度方向的断面结构受力分布情况也基本相同，并且大坝的纵向长度远大于其横断面，因此大坝抗震性能分析选用单位断面进行平面应变分析是可行的。

大坝抗震性能分析的计算条件如下：

1）假设大坝的基础是嵌入到基岩中，地基是刚性的。

2）大坝采用的材料参数为：

弹性模量E=35GPa，泊松比

=，容重

=25KN/

。

3）计算分析大坝水位为120米。

4）水的质量密度1000kg/

。

5）大坝设防地震烈度为8，水平方向地震加速度值为。

GUI操作方法

创建物理环境

1）在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【】/【ANSYSProductLauncher】，得到“ProductLauncher”对话框。

2）选中【FileManagement】，在“WorkingDirectory”栏输入工作目录“D:

\ansys\example5-1”，在“JobName”栏输入文件名“Dam”。

3）单击“RUN”按钮，进入的GUI操作界面。

4）过滤图形界面：

MainMenu>Preferences，弹出“PreferencesforGUIFiltering”对话框，选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。

5）定义工作标题：

UtilityMenu>File>ChangeTitle，在弹出的对话框中输入“DamseismicAnalysis”，单击“OK”，如图5-4。

图5-4定义工作标题

6）定义单元类型：

a.定义PLANE42单元：

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，单击“Add”按钮。

弹出如图5-5所示对话框。

在该对话框左面滚动栏中选择“Solid”，在右边的滚动栏中选择“Quad4node42”，单击“Apply”，就定义了“PLANE42”单元。

图5-5定义PLANE42单元对话框

b.设定PLANE42单元选项：

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，选中“Type2PLANE42”，单击“Options”按钮，弹出一个“PLANE42elementTypeoptions”对话框，如图5-6所示。

在“ElementbehaviorK3”栏后面的下拉菜单中选取“Planestrain”，其它栏后面的下拉菜单采用ANSYS默认设置就可以，单击“OK”按钮。

图5-6PLANE42单元库类型选项对话框

通过设置PLANE42单元选项“K3”为“Planestrain”来设定本实例分析采取平面应变模型进行分析。

因为大坝是纵向很长的实体，故计算模型可以简化为平面应变问题。

7）定义材料属性

执行MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框，如图5-7所示。

图5-7定义材料本构模型对话框

在图5-7中右边栏中连续双击“Structural>Linear>Elastic>Isotropic”后，又弹出如图5-8所示“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“”，在“PRXY”后面的输入栏输入“”，单击“OK”。

再在选中“Density”并双击，弹出如图5-9所示“DensityforMaterialNumber1”对话框，在“DENS”后面的栏中输入边坡土体材料的密度“2500”，单击“OK”按钮。

图5-8线弹性材料模型对话框图5-9材料密度输入对话框

建立模型和划分网格

1）创建大坝线模型

a.输入关键点：

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS，弹出“CreaeKeypointsinActiveCooedinateSystem”对话框，如图5-10所示。

在“NPTkeypointnumber”栏后面输入“1”，在“X，Y，ZLocationinactiveCS”栏后面输入“（0，0，0）”，单击“Apply”按钮，这样就创建了关键点1。

再依次重复在“NPTkeypointnumber”栏后面输入“2、3、4、5”，在对应“X，Y，ZLocationinactiveCS”栏后面输入“（76，0，0）、（，，0）、（，120，0）、（，120，0），最后单击“OK”按钮。

图5-10在当前坐标系创建关键点对话框

b.创建坝体线模型：

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Straightline，弹出“Creaestraightlines”对话框，用鼠标依次点击关键点1、2，单击“Apply”按钮，这样就创建了直接L1，同样分别连接关键点“2、3”，“3、4”，“4、5”，“5、1”，最后单击“OK”按钮，就得到坝体线模型，如图5-11所示。

图5-11坝体线模型

2）创建坝体面模型

a.打开关键点编号显示：

UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering，弹出“PlotNumberingControls”对话框，如图5-12所示。

选中“KeypointNumbers”选项，后面的文字由“off”变为“on”,单击“OK”关闭窗口。

图5-12打开关键点编号对话框

b.创建坝体面模型：

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ThroughKPs，弹出一个“CreateAreabyKeypoints”对话框，在图形中选取关键点1、2、3、4和5，点击“Apply”按钮，就得到坝体模型的面模型，如图5-13所示。

图5-13坝体面模型

3）划分坝体单元网格

a.设置网格份数：

MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Layers>PickedLines，弹出一个“SetLayerControls”对话框，如图5-14所示，用鼠标选取线L1，单击“OK”按钮。

弹出一个“AreaLayerMeshControlonPickedlines”对话框，如图5-15所示，在“Nooflinedivision”栏后面输入“20”，单击“OK”按钮。

图5-14选取线对话框图5-15设置网格分数对话框

相同方法设置线L2分割份数为32；设置线L3、L4和L5线的分割份数分别为6、4、40。

b.划分单元网格：

MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Area>Free，弹出一个拾取面积对话框，拾取图形中面，单击拾取框上的“OK”按钮，得到坝体模型单元网格，如图5-16所示。

4）保存坝体单元网格

UtilityMenu>File>Saveas，弹出一个“SaveDatabase”对话框，在“SaveDatabaseto”下面输入栏中输入文件名“”，单击“OK”。

图5-16坝体单元网格

图5-17给坝体底部施加位移约束对话框

施加约束和荷载

1）给坝体模型底部施加位移约束

执行MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>onNodes，弹出在节点上施加位移约束对话框，用鼠标选取隧道模型两侧边界上所有节点，单击“OK”按钮。

弹出“ApplyU,ROTonNodes”对话框，如图5-17所示，在“DOFStobeconstrained”栏后面中选取“ALLDOF”，在“Applyas”栏后面的下拉菜单中选取“Constantvalue”，在“Displacementvalue”栏后面输入“0”值，然后单击“OK”按钮。

2）施加重力加速度：

MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Inertia>Gravity，弹出“Apply（Gravitational）Acceleration”对话框，如图5-18所示。

在“GlobalCartesianY-comp”栏后面输入重力加速度值“”就可以，单击“OK”按钮，就完成了重力加速度的施加。

图5-18施加重力加速度对话框

3）施加水压力载荷：

MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Structure>onLines，弹出一个对话框，用鼠标选中线L5，单击“OK”。

弹出“ApplyPRESonlines”对话框，如图5-19所示。

分别输入数据“0”和“1101370”，单击“OK”按钮，就完成了水压力载荷的施加。

图5-19施加水压力载荷对话框

本次加的荷载是水深为120米时作用在坝上的水压力，迎水面波度是87度。