某攔河主壩某壩段有限元分析

1、某攔河主壩某壩段有限元分析1、 材料參數(shù)1 壩段長16m，其他詳細(xì)信息見下圖1-1、圖1-2和圖1-3： 圖1-1 上游立面 圖1-2 下游立面2 閘墩混凝土強(qiáng)度等級為C30，頸部及錨塊混凝土采用C40。混凝土、基巖材料特性見下表：表1 混凝土及基巖材料參數(shù)表材料容重(kN/m3)彈性模量（GPa）泊松比摩擦系數(shù)粘聚力(MPa)密度（kg/m3)壩體R90 1502426.10.167/2400壩體R90 2002432.20.167/閘墩C30砼24300.167/頸部及錨塊C40砼2432.50.167/基礎(chǔ)墊層C20混凝土2425.50.167/基巖26.540.250.800.6526

2、50圖1-3 99剖面圖二、有限元分析理論和過程1 有限元分析理論理論分析、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)計(jì)算已被公認(rèn)為并列的三大科學(xué)研究方法，對于某些領(lǐng)域，由于科學(xué)理論和科學(xué)試驗(yàn)的局限，科學(xué)計(jì)算便成了惟一的研究手段。就工程領(lǐng)域而言，由于控制微分方程組的復(fù)雜性以及邊界條件和初始條件的難以確定性，我們一般得不到系統(tǒng)的解析解。因此對于這類問題，一般需要采用各種數(shù)值計(jì)算方法獲得滿足工程需要的近似數(shù)值解，這種方法也稱為數(shù)值模擬技術(shù)。有限元方法是目前應(yīng)用最為廣泛的一種數(shù)值模擬計(jì)算方法。采用有限元分析可以獲取幾乎任意復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的各種機(jī)械性能信息，還可以直接就工程設(shè)計(jì)行進(jìn)各種評判，可以就各種工程事故進(jìn)行技術(shù)分析。基于有限

3、元分析的優(yōu)化技術(shù)，能夠改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，使其在滿足強(qiáng)度和剛度的情況下具有最合理的結(jié)構(gòu)。在新型產(chǎn)品的開發(fā)和已有產(chǎn)品的改造方面，能夠提供對其強(qiáng)度、工作情況下的應(yīng)力分布狀況，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對其進(jìn)行形狀和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而在設(shè)計(jì)上提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。有限元法的基本思想是把連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而將連續(xù)體看作僅在節(jié)點(diǎn)處相連接的一組單元的集合體，同時(shí)選定場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)一個(gè)近似插值函數(shù)以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律，再建立用于求解節(jié)點(diǎn)未知量的有限元方程組，從而將一個(gè)連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問題，求解得

4、到節(jié)點(diǎn)值后就可以通過設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個(gè)集合體上的場函數(shù)。 2 有限元分析步驟和過程 2.1 有限元分析基本步驟 （1）建立求解域并將其離散化為有限單元，即將連續(xù)體問題分解成為節(jié)點(diǎn)和單 元等個(gè)體問題； （2）假設(shè)代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設(shè)代表單元解的近視連續(xù)函數(shù)； （3）建立單元方程； （4）構(gòu)造單元整體剛度矩陣； （5）施加邊界條件、初始條件和荷載； （6）求解線性和非線性的微分方程組，得到節(jié)點(diǎn)求解結(jié)果，例如得到不同節(jié)點(diǎn)的位移量，應(yīng)力應(yīng)變量或熱力學(xué)問題中的溫度量； （7）分析結(jié)果得到其他的重要信息，例如根據(jù)結(jié)構(gòu)中的個(gè)點(diǎn)的受力情況，判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 2.1 有限元分析具體過程

5、 （1）建立工作文件名和工作標(biāo)題 a.選擇Utility MenufileChange Jobname命令，出現(xiàn)Change Jobname對話框，在/FILNAMEnter new jobname 輸入欄中輸入文件名BADUAN99單擊“OK”按鈕關(guān)閉對話框。 b.選擇Utility MenufileChange Title 命令，出現(xiàn)Change Title對話框，在輸入欄中輸入LANHE 9DAM9 ANAYSIS單擊“OK”按鈕關(guān)閉對話框。 （2）選擇分析類型和定義單元類型 a.選擇Main menu PreferenceStructural,h-MethodOK。 b.選擇Main

6、menu Preprocessor Element Type Add/Edit Delete,出現(xiàn)Element Type對話框，單擊“Add”按鈕出現(xiàn)Library of Element Types對話框，選擇Solid、Brick 8 node 185在Element type reference number 輸入欄中輸入1單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。 c.單擊Element Type對話框上的Close按鈕，關(guān)閉對話框。 （3）定義材料屬性 a.選擇Main menu Preprocessor Material Props Material Models命令，出現(xiàn)Define Materi

7、al Model Behavior對話框。 b.在Material Models Available一欄中依次雙擊Structural、Linear、Elastic、Isotropic 出現(xiàn)Linear Isotropic Propeties for Material Number 1對話框在EX輸入欄中輸入2.61E10(單位N/，與長度單位m對應(yīng)）在PRXY輸入欄中輸入0.167，雙擊Structural/Density選項(xiàng)，定義材料的密度，在DENS輸入欄中輸入2400（單位kg/). c.在Define Material Model Behavior對話框上選擇Material /Ne

8、w Model命令，出現(xiàn)Define Material ID對話框在輸入框中輸入2，單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。 d.在Material Models Available一欄中依次雙擊Structural、Linear、Elastic、Isotropic 出現(xiàn)Linear Isotropic Propeties for Material Number 2對話框在EX輸入欄中輸入3.22E10(單位N/，與長度單位m對應(yīng)）在PRXY輸入欄中輸入0.167，雙擊Structural/Density選項(xiàng)，定義材料的密度，在DENS輸入欄中輸入2400（單位kg/). e.在Define Material

9、 Model Behavior對話框上選擇Material /New Model命令，出現(xiàn)Define Material ID對話框在輸入框中輸入3，單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。 f.在Material Models Available一欄中依次雙擊Structural、Linear、Elastic、Isotropic 出現(xiàn)Linear Isotropic Propeties for Material Number 3對話框在EX輸入欄中輸入2.55E10(單位N/，與長度單位m對應(yīng)）在PRXY輸入欄中輸入0.167，雙擊Structural/Density選項(xiàng)，定義材料的密度，在DENS輸入欄中

10、輸入2400（單位kg/). g.在Define Material Model Behavior對話框上選擇Material /New Model命令，出現(xiàn)Define Material ID對話框在輸入框中輸入4，單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。 h.在Material Models Available一欄中依次雙擊Structural、Linear、Elastic、Isotropic 出現(xiàn)Linear Isotropic Propeties for Material Number 4對話框在EX輸入欄中輸入4.0E10(單位N/，與長度單位m對應(yīng)）在PRXY輸入欄中輸入0.25，雙擊Structu

11、ral/Density選項(xiàng)，定義材料的密度，在DENS輸入欄中輸入2650（單位kg/). i.在Define Material Model Behavior對話框上選擇Material /Exit命令，關(guān)閉對話框。 （4）創(chuàng)建幾何模型 采用自下而上的間接建模方式，即先創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，接著通過關(guān)鍵點(diǎn)生成線，再由線生成面，最后由面拖拉生成體。坐標(biāo)系使用笛卡爾直角坐標(biāo)系。幾何模型圖和局部圖見圖2-1到圖2-4： 圖2-1 模型圖一 圖2-1 模型圖二圖2-3 模型局部圖一 圖2-4 模型局部圖二 （5）網(wǎng)格劃分 a.定義三維體的屬性，即指定體得材料類型和單元類型，分四種材料進(jìn)行指定：選擇Main Me

12、nu PreprocessorMeshingMesh AttributesPicked Volumes,選擇壩基，單擊OK按鈕，彈出Volume Attributes對話框，在MAT material number一欄中選擇1，在TYPE element type number一欄中選擇1SOLID185,單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。 選擇Main Menu PreprocessorMeshingMesh AttributesPicked Volumes,選擇壩基，單擊OK按鈕，彈出Volume Attributes對話框，在MAT material number一欄中選擇2，在TYPE elem

13、ent type number一欄中選擇1SOLID185,單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。選擇Main Menu PreprocessorMeshingMesh AttributesPicked Volumes,選擇壩基，單擊OK按鈕，彈出Volume Attributes對話框，在MAT material number一欄中選擇3，在TYPE element type number一欄中選擇1SOLID185,單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。 選擇Main Menu PreprocessorMeshingMesh AttributesPicked Volumes,選擇基巖和回填棄渣，單擊OK按鈕，彈出Vo

14、lume Attributes對話框，在MAT material number一欄中選擇4，在TYPE element type number一欄中選擇1SOLID185,單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。 b.網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分主要以六面體掃掠進(jìn)行劃分，部分采用四面體自由劃分，采用自由劃分時(shí)精度控制為4。所以空洞部位劃分比較精細(xì)。 壩體的劃分：選擇Main Menu PreprocessorMeshingMesh Tool命令，出現(xiàn)Element Attributes對話框，在Element Attributes下輸入欄中選擇Volumes，在shape后面選中Hex和Sweep或者Tel和Free單

15、擊Mesh按鈕，出現(xiàn)Mesh Volumes對話框，選擇要網(wǎng)格劃分的體，單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。壩基和回填棄渣的劃分：選擇Main Menu PreprocessorMeshingMesh Tool命令，出現(xiàn)Element Attributes對話框，在Element Attributes下輸入欄中選擇Volumes，在shape后面選中Hex和Sweep或者Tel和Free單擊Mesh按鈕，出現(xiàn)Mesh Volumes對話框，選擇要網(wǎng)格劃分的體，單擊OK按鈕，網(wǎng)格劃分完畢。 c.保存.選擇file/save as 在save database to 一欄中輸入BADUAN991.db，單擊O

16、K按鈕保存。網(wǎng)格劃分后的壩體、壩基和回填棄渣（局部）網(wǎng)格圖，見圖2-5到圖2-8：圖2-5前視圖圖2-6 后視圖圖2-7 斜視圖 圖2-7 壩頂局部圖（包括門庫） 圖2-8 壩踵局部圖（包括廊道） （1）位移約束 a.邊界位移約束條件：壩基左右前后兩側(cè)為水平法向約束；壩基底部為垂直方向約束；壩體左右為水平法向約束，迎水面和背水面無位移約束。 b.確定分析類型。選擇Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis在彈出的對話框中選擇Static，單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。 c.施加約束。 MainMenuSolutionDefine LoadsApplyStru

17、cturalDisplacementOn Areas彈出Apply U，ROT on Areas對話框在工作面點(diǎn)擊壩基前后和左右側(cè)面單擊OK按鈕彈出Apply U，ROT on Areas對話框，在Lab2 DOFs to be constrained后選擇UX和UZ，單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。MainMenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas彈出Apply U，ROT on Areas對話框在工作面點(diǎn)擊壩基底部面，單擊OK按鈕彈出Apply U，ROT on Areas對話框，在Lab2 DOFs to be cons

18、trained后選擇UY，單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。MainMenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas彈出Apply U，ROT on Areas對話框在工作面點(diǎn)擊壩體左右兩側(cè)面，單擊OK按鈕彈出Apply U，ROT on Areas對話框，在Lab2 DOFs to be constrained后選擇UZ，單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。選擇File/Save as在Save Database to一欄中輸入BADUAN992.db，點(diǎn)擊“OK”保存。 （2）施加荷載。該設(shè)計(jì)初始條件為迎水面水壓力和自重應(yīng)力場，需要設(shè)置鉛垂方

19、向的三角形線性面荷載和重力加速度，壩體下游壩面不考慮水壓力。a.MainMenuSolutionDefineLoadsSettingsForSurfaceLdGradientGradient Specification for Surface Loads 選擇Pressure,在Slop value中輸入-9800（N/m3),Slop direction選擇Y direction,單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。 b.將坐標(biāo)原點(diǎn)移至檢核洪水位161.13m處，并施加三角形面荷載MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralPressureOn Areas選中所有

20、迎水面單擊OK按鈕DefineLoadsOperateTransfer to PE單擊OK按鈕PLotCtrlsSymbolsShow press and covert asArrows單擊OK按鈕PlotElements.c.MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralInertiaGravityGlobal,在Apply Acceleration窗口ACELY中輸入-9.8(m/s2),單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。選擇File/Save as在Save Database to一欄中輸入BADUAN992.db，點(diǎn)擊“OK”保存。位移荷載約束見圖2-9：圖

21、2-9 位移荷載約束 （3）求解 MainMenuSolutionSolveCurrentSolve Current Load StepOK，完成求解。選擇File/Save as在Save Database to一欄中輸入BADUAN993.db，點(diǎn)擊“OK”保存。3、 計(jì)算結(jié)果和分析3.1 變形和位移打開求解結(jié)果文件中保存的BADUAN994.db，單擊Main MenuGeneral PostprocPolt ResultsDeformed Shape彈出Polt Deformed Shape對話框選擇Def+undef edge單擊“OK”后顯示變形圖如圖3-1所示。選擇Main Me

22、nuGeneral PostprocPolt ResultsContour PoltNodal Solu彈出Contour Nodal Solution date對話框，點(diǎn)擊DOF Solution選項(xiàng)點(diǎn)擊Displacement vector sum選項(xiàng)，總位移如圖3-1所示。參照上面的步驟，分別顯示X、Y、Z軸的位移分量圖，如圖3-2到圖3-5所示。圖3-1 整體位移圖（變形前+變形后）圖3-2 X方向位移圖圖3-3 Y方向位移圖圖3-4 Z方向整體位移圖 圖3-5 Z方向壩頂門庫局部位移圖分析：從整體位移圖來看，大壩的位移變化壩頂?shù)綁蔚字饾u減小，在大壩的頂部（包括門庫）出現(xiàn)位移變化的最大

23、值0.014571m；在回填棄渣局部也出現(xiàn)最大位移值0.014571m（由在左右側(cè)面施加的為面法向位移約束引起）。X方向位移，廊道周圍位移較小為0.001208m，大壩的頂部位移（包括門庫）較大為0.005653m。Y方向位移，廊道周圍位移較大為0.010446m，大壩的頂部位移（包括門庫）最大為0.013430m，在回填棄渣局部也出現(xiàn)最大位移值0.013430m。Z方向整體位移，廊道周圍位移很小為-0.731e(-6)m（負(fù)號表示沿Z軸負(fù)向）但在壩底右側(cè)出現(xiàn)局部稍大位移為0.250e(-5)m。從Z方向局部位移可以看出最大位移出現(xiàn)在門庫邊角，其值分別為0.623e(-5)m和-0.630e(-5)m（負(fù)號表示沿Z軸負(fù)向）。另外，因?yàn)殚T庫內(nèi)挑板的影響，在挑板邊角也出現(xiàn)不小的位移。3.2 主應(yīng)力選擇Main MenuGeneral Postpro