第5章ANSYS水利工程應(yīng)用實例分析

1、第 5 章內(nèi)容提要本章重點ANSYS水利工程應(yīng)用實例分析本章首先概述了水利工程 ANSYS 應(yīng)用，其次介紹了 ANSYS 重力壩抗震性能分析步驟， 最后用實例詳細(xì)介紹了 ANSYS 抗震性能分析過程。水利工程ANSYS 重力壩抗震性能分析步驟ANSYS 重力壩抗震性能用實例分析本章典型效果圖5.1 水利工程概述雖然我國水利資源非常豐富，但河流在地區(qū)和時間分配上很不均衡，許多地區(qū)在枯水季節(jié)容易出現(xiàn)干早，而在洪水季節(jié)又往往由于水量過多而形成洪澇災(zāi)害。為了解決這一矛盾，人們修建了許多水利工程來達(dá)到防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運(yùn)等目的，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。水利工程中各種建筑物按其在水利樞紐中所起的作

2、用，可以分為以下幾類:(1) 擋水建筑物用以攔截河流，形成水庫，如各種壩和水閘以及抵御洪水所用的堤防等。(2) 泄水建筑物用以宣泄水庫 或渠道 ) 在洪水期間或其它情況下的多余水量， 以保證壩 ( 或渠道 ) 的安全，如各種溢流壩、溢流道、泄洪隧道和泄洪涵管等。(3) 輸水建筑物為灌溉、 發(fā)電或供水， 從水庫 ( 或河道 ) 向庫外 ( 或下游 ) 輸水用的建筑物， 如引水隧道、引水涵管、渠道和渡槽等。(4) 取水建筑物是輸水建筑物的首部建筑， 如為灌溉、 發(fā)電、供水而建的進(jìn)水閘、 揚(yáng)水站等。(5) 整治建筑物用以調(diào)整水流與河床、 河岸的相互作用以及防護(hù)水庫、 湖泊中的波浪和水流對岸坡的沖刷，

3、如丁壩、順壩、導(dǎo)流堤、護(hù)底和護(hù)岸等。由于破壞后果的災(zāi)難性，大型水利工程建設(shè)的首要目標(biāo)是安全可靠，其次才是經(jīng)濟(jì)合理。所以說研究大壩等水工建筑物的安全分析、評價和監(jiān)控，是工程技術(shù)人員需要解決的課題，正確分析大壩性態(tài)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)前對各種水利工程評價主要采用有限元分析方法，借助各種有限元軟件對這些水利工程建筑物進(jìn)行安全評價，其中應(yīng)用比較廣泛的是 ANSYS軟件。目前， ANSYS軟件在水利工程中主要應(yīng)用以下幾個方面：(1) 應(yīng)用各種壩體工程的設(shè)計和施工利用 ANSYS軟件，模擬各種壩體施工過程以及壩體在使用階段受到各種載荷 （如水位變化對壩體的壓力、地震荷載等）下結(jié)構(gòu)的安全性能進(jìn)行評價，模擬壩

4、體的溫度場和應(yīng)力場，借助模擬結(jié)果修改設(shè)計或?qū)误w采取加固措施。(2) 應(yīng)用于各種引水隧道、引水涵管等設(shè)計和施工利用 ANSYS軟件，模擬這些工程開挖、支護(hù)、澆注、回填過程，分析結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變形情況、結(jié)構(gòu)的安全可靠度，以及襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)在水壓、溫度發(fā)生變化后產(chǎn)生的變形情況和結(jié)構(gòu)內(nèi)力，依靠 ANSYS模擬結(jié)果對結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評價。(3) 應(yīng)用于各種水庫閘門的設(shè)計和施工水庫閘門在上游水作用下將發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切和拉壓等組合變形，利用ANSYS中的SHELL63單元來模擬閘門，利用大型結(jié)構(gòu)有限元分析程序ANSYS，對閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核。水利水電5.2ANSYS

5、重力壩抗震性能分析步驟重力壩是一種古老而重要的壩型，主要依靠壩體自身重力來維持壩身的穩(wěn)定。巖基上重力壩的基本剖面呈三角形，上游面通常是垂直的或者稍傾向下游的三角形斷面。重力壩的具有很多優(yōu)點：(1)安全可靠。但剖面尺寸較大，抵抗水的滲漏，洪水漫頂，地震或戰(zhàn)爭破壞的能力都比較強(qiáng)，因而失事率較低。(2)對地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，壩體作用于地基面上的壓應(yīng)力不高，所以對地質(zhì)條件的要求也較低，低壩甚至可修建在土基上。(3)樞紐泄洪容易解決，便于樞紐布置。(4)施工方便，便于機(jī)械化施工。(5)結(jié)構(gòu)作用明確，應(yīng)力計算和穩(wěn)定計算比較簡單。鑒于重力壩有如此多優(yōu)點，所以它得到了廣泛應(yīng)用。但是許多大壩都是建在地震多發(fā)

6、和高烈度地區(qū)，并且壩還要承受重力、水壓力等長期載荷的作用，為確保工程和人民生命財產(chǎn)在偶發(fā)地震載荷作用下的安全，需對大壩做抗震安全分析。重力壩抗震性能分析一般分以下五個步驟：1、創(chuàng)建物理環(huán)境2、建立模型和劃分網(wǎng)格3、施加邊界條件和載荷（地震荷載）4、求解5、后處理（查看計算結(jié)果）創(chuàng)建物理環(huán)境在定義壩體抗震性能分析問題的物理環(huán)境時，進(jìn)入ANSYS 前處理器，建立這個壩體抗震性能分析的數(shù)學(xué)仿真模型。按照以下幾個步驟來建立物理環(huán)境：1、 設(shè)置 GUT 菜單過濾如果你希望通過GUI 路徑來運(yùn)行ANSYS ，當(dāng) ANSYS 被激活后第一件要做的事情就是選擇菜單路徑： Main Menu>Prefer

7、ences，執(zhí)行上述命令后，彈出一個如圖5-1 所示的對話框出現(xiàn)后，選擇Structural。這樣ANSYS 會根據(jù)你所選擇的參數(shù)來對GUI 圖形界面進(jìn)行過濾，選擇Structural 以便在進(jìn)行壩體抗震性能分析時過濾掉一些不必要的菜單及相應(yīng)圖形界面。2、 定義分析標(biāo)題（ TITLE ）水利水電在進(jìn)行分析前，可以給你所要進(jìn)行的分析起一個能夠代表所分析內(nèi)容的標(biāo)題，比如“Damstability Analysis ”，以便能夠從標(biāo)題上與其他相似物理幾何模型區(qū)別。用下列方法定義分析標(biāo)題。命令： TITLEGUI ：Utility Menu>File>Change Title3、 說明單元

8、類型及其選項（KEYOPT 選項）與 ANSYS 的其他分析一樣， 也要進(jìn)行相應(yīng)的單元選擇。 ANSYS 軟件提供了 100 種以上的單元類型，可以用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料，各種不同的單元組合在一起，成為具體的物理問題的抽象模型。壩體用 PLANE42 單元來模擬。大多數(shù)單元類型都有關(guān)鍵選項 （ KEYOPTS ），這些選項用以修正單元特性。 例如，PLANE42有如下 KEYOPTS ：KEYOPT(2)包含或抑制過大位移設(shè)置KEYOPT(3)平面應(yīng)力、軸對稱、平面應(yīng)變或考慮厚度的平面應(yīng)力設(shè)置KEYOPT(5)解輸出控制設(shè)置單元以及其關(guān)鍵選項的方式如下：命令： ETKEYOPTGUI

9、：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete圖 5-1 GUI 圖形界面過濾4 定義單位水利水電結(jié)構(gòu)分析只有時間單位、長度單位和質(zhì)量單位三個基本單位，則所有輸入的數(shù)據(jù)都應(yīng)當(dāng)是這三個單位組成的表達(dá)方式。如標(biāo)準(zhǔn)國際單位制下，時間是秒（s），長度是米（ m），質(zhì)量是千克（ kg），則導(dǎo)出力的單位是kg? m/s2（相當(dāng)于牛頓N ），材料的彈性模量單位是kg/m ? s2（相當(dāng)于帕 Pa）。命令： /UNITS5、定義材料屬性大多數(shù)單元類型在進(jìn)行程序分析時都需要指定材料特性，ANSYS 程序可方便地定義各種材料的特性，

10、如結(jié)構(gòu)材料屬性參數(shù)、熱性能參數(shù)、流體性能參數(shù)和電磁性能參數(shù)等。ANSYS 程序可定義的材料特性有以下三種：（ 1）線性或非線性。（ 2）各向同性、正交異性或非彈性。（ 3）隨溫度變化或不隨溫度變化。因為進(jìn)行壩體抗震性能分析時， ANSYS 默認(rèn)譜分析將忽略材料非線性，因此，壩體抗震性能分析模型采用彈性模型，只需要定義壩體材料屬性中：容重、彈性模量、泊松比。命令： MPGUI ： Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models或 Main Menu>Solution>Load Step Opts>Ot

11、her>Change Mat Props>Material Models壩體靜力分析時可考慮材料的非線性，但進(jìn)行抗震性能分析時，需要將非線性參數(shù)：內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力刪除。建立模型和劃分網(wǎng)格創(chuàng)建好物理環(huán)境，就可以建立模型。在進(jìn)行壩體抗震性能分析時，需要建立模擬壩體的PLANE82 單元。在建立好的模型指定特性（單元類型、選項和材料性質(zhì)等）以后，就可以劃分有限元網(wǎng)格了。通過 GUI 為模型中的各區(qū)賦予特性：1、選擇 Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh Attributes> Picked Areas2、點擊模型中要選定的區(qū)

12、域。3、在對話框中為所選定的區(qū)域說明材料號、實常數(shù)號、單元類型號和單元坐標(biāo)系號。通過命令為模型中的各區(qū)賦予特性：ASEL （選擇模型區(qū)域）MAT （說明材料號）TYPE （指定單元類型號）水利水電建立大壩模型時，壩體和地基是賦予不同材料屬性，本文只進(jìn)行壩體抗震性能分析。進(jìn)行大壩 3-D 模擬分析時， 用 SOLID65 模擬混凝土單元和SOLID45 模擬巖石單元的， 2-D模擬分析時，只需用一個PLANE42 單元就可以。施加約束和荷載在施加邊界條件和荷載時， 既可以給實體模型 （關(guān)鍵點、 線、面）也可以給有限元模型 （節(jié)點和單元） 施加邊界條件和荷載。 在求解時， ANSYS 程序會自動將

13、加到實體模型上的邊界條件和載荷轉(zhuǎn)遞到有限元模型上。重力壩抗震性能分析中，主要是給壩體底部施加自由度約束。命令： D作用在重力壩上的荷載包含水壓力、冰壓力、泥沙壓力、地震力及壩體自重荷載等。(1)自重荷載。由壩體體積和材料的容重算出。(2)靜水壓力。作用在壩面上的靜水壓力可根據(jù)靜水力學(xué)原理計算，分為水平力及垂直力。水平力：P sp1 H 12(5-1)2垂直力：P cz1nH 12(5-2)2式中：為水容重， H1代表上游水深， n代表上游壩面坡度系數(shù)。同理可求得下游壩面的總靜水壓力的水平向分力及垂直分力。(3) 揚(yáng)壓力。重力壩壩體混凝土或漿砌石砌體不是絕對不透水的，它們的表面及內(nèi)部存在著無數(shù)微

14、小的孔隙，壩基巖石本身孔隙雖然很少，但是也存在著節(jié)理、裂隙。重力壩建成擋水后，在上下游水位差的長期作用下，上游的水將通過這些孔隙及壩體和壩基的接觸面、壩基的節(jié)理裂隙等向下游滲透，從而使得壩體內(nèi)和壩底面產(chǎn)生滲透水壓力。(4)動水壓力。在溢流面上作用有動水壓力，壩頂曲線和下游面直線段上的動水壓力很小，可忽略不計。只計算反弧段上的動水壓力。(5)冰壓力。在寒冷地區(qū)水庫表面冬季結(jié)成冰蓋，當(dāng)氣溫回升時，冰蓋發(fā)生膨脹，因而對擋水建筑物上游面產(chǎn)生冰壓力。(6)泥沙壓力。水庫蓄水后，入庫水流挾帶泥沙，逐年淤積在壩前，對壩面產(chǎn)生泥沙壓力。(7)浪壓力。浪壓力與風(fēng)速和水庫吹程有關(guān)，但在荷載中所占比重較小，通常忽略

15、。水利水電(8 )地震荷載。主要是由建筑物質(zhì)量引起的地震慣性力、地震動水壓力和動土壓力。求解1. 靜力求解首先對重力壩進(jìn)行靜力求解：在 ANSYS 程序根據(jù)現(xiàn)有選項的設(shè)置，從數(shù)據(jù)庫獲取模型和載荷信息并進(jìn)行計算求解，將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入到結(jié)果文件和數(shù)據(jù)庫中。得到壩體在靜力荷載作用下的位移場與應(yīng)力，了解壩體在設(shè)計條件下的工作形態(tài)，對混凝土重力壩方案的可靠性進(jìn)行評價評價大壩命令： SOLVEGUI ： Main Menu>Solution>Solve> Current LS2.動力分析求解由于地震時的地面運(yùn)動以水平方向為主，在地震力作用下結(jié)構(gòu)的振動也以水平振動為主，故本次分析只考慮了水平

16、方向的地震載荷的作用。對重力壩抗震性能計算分析可以采用以下幾種方法：1)擬靜力法擬靜力法是一種把地震的影響用一種折算的靜載荷來表示，求出這種地震荷載后，按照常規(guī)的靜力法進(jìn)行壩體的各項應(yīng)力、位移的抗震分析方法。它是假定地震時與地面加速度相同的加速度作用在壩體各部位，求出地震時的慣性力，然后根據(jù)慣性力來評價大壩的安全性。根據(jù)擬靜力分析方法，大壩的水平地震慣性力可簡化為：QH KHCZFW(5-3)式中：K H 水平向地震系數(shù)，為地面最大水平加速度代表值與重力加速度的比值； C Z 綜合影響系數(shù)，重力壩取為 1/4；F 地震慣性力系數(shù)；W 產(chǎn)生慣性力的建筑物的總重量。采用擬靜力法計算重力壩的地震作用

17、效應(yīng)時，水深h處的地震動水壓力的代表值的計算：PW ( h) a h (h) W H 0(5-4)式中：PW (h) 作用在直立迎水壩面水深h處的動水壓力代表值；ah 水平向地震加速度的代表值，地震烈度為8時對應(yīng)的值是 0.2g；水利水電地震作用效應(yīng)折減系數(shù)，除另有規(guī)定外，取0.25；(h) 水深 h處的地震動水壓力分布系數(shù)；W 水體質(zhì)量密度的標(biāo)準(zhǔn)值；H 0 水總深度。與水平面夾角為的傾斜迎水壩面，按公式(5-4)計算的動水壓力代表值乘以折減系數(shù)：2)反應(yīng)譜分析法C/ 90(5-5)反應(yīng)譜分析法是以單質(zhì)點彈性體系在實際地震過程中的反應(yīng)為基礎(chǔ)，來進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)的分析，它通過反應(yīng)譜巧妙地將動力問題靜

18、力化，使得復(fù)雜的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計算變得簡單易行。按照這一理論，應(yīng)用地震譜曲線，就可以按照實際地面運(yùn)動來計算建筑物的反應(yīng)。反應(yīng)譜是單點彈性體系對于實際地面運(yùn)動的最大反應(yīng)和體系自振周期的函數(shù)關(guān)系。對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以簡化為若干振型的疊加，每個振型又可轉(zhuǎn)化為一個單質(zhì)點來考慮。使用已經(jīng)確定的設(shè)計反應(yīng)譜計算重力壩在地震作用下的反應(yīng)，就歸結(jié)為尋求壩體的自振特性。地震產(chǎn)生的破壞，與受力大小和受頻譜的最大振動的持續(xù)時間的都有關(guān)系。在進(jìn)行譜分析計算前，首先要計算大壩的自振特性。模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是結(jié)構(gòu)承受動態(tài)荷載設(shè)計中的重要參數(shù)，也是更詳細(xì)的動力分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析計算中采

19、用了子空間迭代法提取模態(tài)。水深 h處的地震動水壓力的作用按公式 (5-6)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的壩面附加質(zhì)量。PW (h)7 ah WH 0 h(5-6)8根據(jù)如圖 5-2所示的大壩設(shè)計的反應(yīng)譜曲線圖，可得大壩反應(yīng)譜曲線方程：110T (，0.1max 1) . . . . . .0. . .T.，Tg( 5-7)max.0.1.TT0)0.9*，(max . . . . . . . T.g. . T .T水利水電圖 5-2 大壩設(shè)計反應(yīng)譜本次重力壩抗震性能分析中，m ax 取值為 2， Tg 取值為 0.2，特征周期 T0 取值為 0.2S。3)時程分析法時程分析方法是將地震動記錄或人工波作用在結(jié)構(gòu)上

20、.直接對結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程進(jìn)行積分， 求得結(jié)構(gòu)任意時刻地震反應(yīng)的分析方法，所以動態(tài)時程分析方法也稱為直接積分法。本次大壩抗震性能實例分析采用反應(yīng)譜分析方法。后處理后處理的目的是以圖和表的形式描述計算結(jié)果。對于大壩抗震性能分析中，進(jìn)入后處理器后，查看大壩變形圖和節(jié)點的位移和應(yīng)力。通過研究大壩的變形、位移和應(yīng)力情況，來綜合判斷大壩的抗震性能及安全性能。命令： POST1GUI ： Main Menu> General Postproc首先查看大壩靜力分析求解結(jié)果，再查看大壩動力分析求解結(jié)果。水利水電5.3ANSYS 重力壩抗震性能實例分析實例介紹圖 5-3 重力壩斷面結(jié)構(gòu)實例選取應(yīng)用非常廣泛的重力

21、壩，斷面結(jié)構(gòu)如圖5-3所示。壩高 120米，壩底寬為 76米，壩頂為 10米，上游壩面坡度和下游壩面坡度如圖中所示。因為重力壩結(jié)構(gòu)比較簡單，垂直于長度方向的斷面結(jié)構(gòu)受力分布情況也基本相同，并且大壩的縱向長度遠(yuǎn)大于其橫斷面，因此大壩抗震性能分析選用單位斷面進(jìn)行平面應(yīng)變分析是可行的。大壩抗震性能分析的計算條件如下：水利水電1） 假設(shè)大壩的基礎(chǔ)是嵌入到基巖中，地基是剛性的。=0.2，容重 =25KN/ m3 。2） 大壩采用的材料參數(shù)為：彈性模量E=35GPa，泊松比3） 計算分析大壩水位為120米。4） 水的質(zhì)量密度 1000kg/ m3 。5） 大壩設(shè)防地震烈度為8，水平方向地震加速度值為 0.

22、2g。GUI 操作方法創(chuàng)建物理環(huán)境1) 在【開始】菜單中依次選取【所有程序】 /【 ANSYS10.0 】/【 ANSYS Product Launcher 】，得到“ 10.0ANSYS Product Launcher ”對話框。2）選中【File Management】，在“Working Directory ”欄輸入工作目錄 “D:ansysexample5-1”，在“ Job Name”欄輸入文件名“ Dam”。3）單擊“ RUN”按鈕，進(jìn)入ANSYS10.0 的 GUI 操作界面。4）過濾圖形界面：Main Menu> Preferences，彈出“ Preferences

23、for GUI Filtering ”對話框，選中“ Structural”來對后面的分析進(jìn)行菜單及相應(yīng)的圖形界面過濾。5）定義工作標(biāo)題： Utility Menu> File> Change Title ，在彈出的對話框中輸入“ Dam seismic Analysis ”，單擊“ OK”，如圖 5-4。圖 5-4 定義工作標(biāo)題6）定義單元類型：a.定義 PLANE42 單元： Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete ，彈出一個單元類型對話框，單擊“ Add”按鈕。彈出如圖 5-5 所示對話框

24、。在該對話框左面滾動欄中選擇“ Solid ”，在右邊的滾動欄中選擇“ Quad 4node 42”，單擊“ Apply ”，就定義了“ PLANE42 ” 單元。水利水電圖 5-5 定義 PLANE42 單元對話框b.設(shè)定 PLANE42 單元選項： Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete ，彈出一個單元類型對話框， 選中“Type 2 PLANE42 ”，單擊“ Options”按鈕， 彈出一個 “ PLANE42element Type options”對話框，如圖 5-6 所示。在“ Element

25、 behavior K3 ”欄后面的下拉菜單中選取“ Plane strain”，其它欄后面的下拉菜單采用 ANSYS 默認(rèn)設(shè)置就可以，單擊“ OK ”按鈕。圖 5-6 PLANE42 單元庫類型選項對話框通過設(shè)置 PLANE42 單元選項“ K3 ”為“ Plane strain”來設(shè)定本實例分析采取平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析。因為大壩是縱向很長的實體，故計算模型可以簡化為平面應(yīng)變問題。7）定義材料屬性執(zhí)行 Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models ，彈出“ Define Material ModelBeha

26、vior ”對話框，如圖5-7 所示。水利水電圖 5-7 定義材料本構(gòu)模型對話框在圖 5-7 中右邊欄中連續(xù)雙擊“ Structural> Linear> Elastic>Isotropic ”后，又彈出如圖 5-8 所示“ Linear Isotropic Properties for Material Number 1 ”對話框，在該對話框中“ EX ”后面的輸入欄輸入“ 3.5E10”，在“ PRXY ” 后面的輸入欄輸入“ 0.2”，單擊“ OK ”。再在選中“ Density” 并雙擊，彈出如圖 5-9 所示“ Density for Material Number

27、 1 ”對話框，在“ DENS”后面的欄中輸入邊坡土體材料的密度“ 2500”，單擊“ OK ”按鈕。圖 5-8 線彈性材料模型對話框圖 5-9 材料密度輸入對話框水利水電建立模型和劃分網(wǎng)格1）創(chuàng)建大壩線模型a.輸入關(guān)鍵點： Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Keypoints>In Active CS，彈出“ Creae Keypoints in Active Cooedinate System”對話框，如圖 5-10 所示。在“NPT keypoint number ” 欄后面輸入“ 1”，在“ X， Y，Z

28、Location in active CS ”欄后面輸入“（0，0，0）”，單擊“ Apply ”按鈕，這樣就創(chuàng)建了關(guān)鍵點 1。再依次重復(fù)在“ NPT keypoint number ”欄后面輸入“ 2、3、4、5”，在對應(yīng)“ X ，Y，Z Location in active CS ”欄后面輸入 “（76，0，0）、（15.6，104.1，0）、（ 15.6，120，0）、（ 5.6，120， 0），最后單擊“ OK ”按鈕。圖 5-10 在當(dāng)前坐標(biāo)系創(chuàng)建關(guān)鍵點對話框b.創(chuàng)建壩體線模型： Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create&g

29、t;Lines>Straight line ，彈出 “ Creae straight lines”對話框，用鼠標(biāo)依次點擊關(guān)鍵點 1、2，單擊“ Apply ”按鈕，這樣就創(chuàng)建了直接 L1 ，同樣分別連接關(guān)鍵點“ 2、 3”，“3、4”，“ 4、 5”，“5、 1”，最后單擊“ OK ”按鈕，就得到壩體線模型，如圖 5-11 所示。水利水電圖 5-11壩體線模型2）創(chuàng)建壩體面模型a.打開關(guān)鍵點編號顯示： Utility Menu> PlotCtrls> Numbering ，彈出“Plot Numbering Controls ” 對話框，如圖 5-12 所示。選中“ Keyp

30、oint Numbers” 選項，后面的文字由“ off”變?yōu)椤?on” , 單擊“ OK ”關(guān)閉窗口。水利水電圖 5-12 打開關(guān)鍵點編號對話框b.創(chuàng)建壩體面模型：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ThroughKPs，彈出一個“ Create Area by Keypoints”對話框，在圖形中選取關(guān)鍵點1、2、3、4和5，點擊“ Apply”按鈕，就得到壩體模型的面模型，如圖5-13所示。圖 5-13 壩體面模型3） 劃分壩體單元網(wǎng)格a.設(shè)置網(wǎng)格份數(shù)： Main Menu>

31、Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Layers>Picked Lines，彈出一個“ Set Layer Controls”對話框，如圖 5-14 所示，用鼠標(biāo)選取線 L1，單擊“ OK ” 按鈕。彈出一個“ Area Layer Mesh Control on Picked lines ”對話框，如圖 5-15 所示，在“ No ofline division ”欄后面輸入“ 20”，單擊“ OK ”按鈕。水利水電圖 5-14 選取線對話框圖 5-15 設(shè)置網(wǎng)格分?jǐn)?shù)對話框相同方法設(shè)置線 L2 分割份數(shù)為 32

32、；設(shè)置線 L3 、 L4 和 L5 線的分割份數(shù)分別為6、4、 40。b.劃分單元網(wǎng)格： Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Area>Free，彈出一個拾取面積對話框，拾取圖形中面，單擊拾取框上的“OK ”按鈕，得到壩體模型單元網(wǎng)格，如圖5-16 所示。4)保存壩體單元網(wǎng)格Utility Menu> File> Save as ，彈出一個“ Save Database”對話框，在“ Save Database to”下面輸入欄中輸入文件名“ dam-grid.db ”，單擊“ OK ”。水利水電圖 5-16 壩體單

33、元網(wǎng)格圖5-17 給壩體底部施加位移約束對話框施加約束和荷載1）給壩體模型底部施加位移約束執(zhí)行 Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>on Nodes，彈出在水利水電節(jié)點上施加位移約束對話框，用鼠標(biāo)選取隧道模型兩側(cè)邊界上所有節(jié)點，單擊“OK”按鈕。彈出“ Apply U,ROT on Nodes ”對話框，如圖 5-17 所示，在“ DOFS to be constrained”欄后面中選取“ ALL DOF ”，在“Apply as”欄后面的下拉菜單中選取 “ Const

34、ant value”，在“ Displacement value”欄后面輸入“ 0”值，然后單擊“ OK ”按鈕。2）施加重力加速度： Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Inertia>Gravity ，彈出“ Apply(Gravitational)Acceleration ”對話框，如圖 5-18 所示。在“ Global Cartesian Y-comp” 欄后面輸入重力加速度值“ 9.8”就可以，單擊“ OK ”按鈕，就完成了重力加速度的施加。圖 5-18 施加重力加速度對話框3)施加水

35、壓力載荷： Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Structure>on Lines ，彈出一個對話框， 用鼠標(biāo)選中線 L5，單擊“ OK”。彈出“ Apply PRES on lines ”對話框， 如圖 5-19 所示。分別輸入數(shù)據(jù)“ 0”和“ 1101370”，單擊“ OK”按鈕，就完成了水壓力載荷的施加。水利水電圖5-19 施加水壓力載荷對話框本次加的荷載是水深為 120米時作用在壩上的水壓力，迎水面波度是87度。求解1.靜力分析求解1)求解設(shè)置a.指定求解類型： Main Menu>

36、;Solution>Analysis Type>New Analysis ，彈出一個如圖 5-20 所示對話框，在“ Type of analysis”欄后面選中“ Static”，單擊“ OK ”按鈕。圖 5-20 指定求解類型對話框b.設(shè)置載荷步：MainMenu>Preprocessor>Loads>Analysis Type>Sol'n Controls，彈出一個“ Solution Controls ”對話框， 用鼠標(biāo)單擊 “Basic”選項，如圖 5-21 所示，在“Number of Substeps” 欄后面輸入“ 5”，在“ Max

37、 no. of substeps”欄后面輸入“ 100”，在“ Min no. of substeps ”欄后面輸入“ 1”，單擊“ OK ”按鈕。水利水電圖 5-21 設(shè)置載荷步對話框c.設(shè)置線性搜索： Main Menu>Solution>Analysis Type>Sol'n Controls ，彈出一個“ Solution Controls”對話框，用鼠標(biāo)單擊“ Nonlinear”選項，如圖 5-22 所示，在“ Line search”欄后面下拉菜單選中“ ON ”，單擊“ OK ”。2）靜力求解a.求解： Main Menu>Solution>

38、;Solve>Current LS ，彈出一個求解選項信息和一個當(dāng)前求解載荷步對話框， 檢查信息無錯誤后， 單擊“ OK ”，開始求解運(yùn)算， 直到出現(xiàn)一個 “Solution is done” 的提示欄，表示求解結(jié)束。b. 保存求解結(jié)果； Utility Menu> File> Save as ，彈出一個 “Save Database”對話框， 在“ Save Database to”下面輸入欄中輸入文件名“ Dam-static.db”，單擊“ OK”。水利水電圖 5-22 設(shè)置線性搜索對話框圖 5-23 設(shè)置模態(tài)分析選項對話框2.抗震性能分析求解1）模態(tài)分析求解a.設(shè)置分

39、析類型： Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis ，彈出一個如圖 5-20所示對話框，在“ Type of analysis”欄后面選中“ Modal ”，單擊“ OK”按鈕。水利水電b.設(shè)置模態(tài)分析選項： Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options ，彈出一個如圖5-23所示對話框，在“ Mode extraction method”欄后面選中“ Sunspace”，在“ No. of modes to be extract”欄后面輸入“ 18”，在

40、“ Expand mode shapes”后面小方框用鼠標(biāo)選中，單擊“ OK ”按鈕，又彈出一個“ Sunspace Modal Analysis”對話框，如圖 5-24所示，按圖中設(shè)置后，單擊“ OK ” 按鈕。圖5-24 模態(tài)分析求解時子空間設(shè)置對話框圖5-25 模態(tài)求解選項信息c.模態(tài)分析求解： Main Menu>Solution>Solve>Current LS ，彈出一個模態(tài)求解選項信息（如水利水電圖 5-25 所示）和一個當(dāng)前求解載荷步對話框， 檢查信息無錯誤后， 單擊“ OK ”，開始求解運(yùn)算，直到出現(xiàn)一個“ Solution is done”的提示欄，表示求

41、解結(jié)束。d. 保存求解結(jié)果； Utility Menu> File> Save as ，彈出一個 “Save Database”對話框， 在“ SaveDatabase to”下面輸入欄中輸入文件名“Dam-modal.db ”，單擊“ OK ”。圖5-26 模態(tài)分析各階頻率e.調(diào)出模態(tài)分析各階頻率：Main Menu> General Postproc >Read Summary ，彈出如圖 5-26所示對話框。動力求解和靜力求解的模型相同，約束條件也相同。譜分析時， ANSYS 忽略材料非線性。調(diào)出模態(tài)分析各階頻率是為后面求解反應(yīng)譜值。2）反應(yīng)譜分析求解a.求出反應(yīng)

42、譜值： 由圖 5-26中前 18階頻率值 f，可以算出對應(yīng)的周期T，再根據(jù)大壩反應(yīng)譜曲線方程（式 5-7），可以計算出前 10階的反應(yīng)譜值，見表5-1。表5-1 大壩動力計算前10階振動頻率及反應(yīng)譜值振型振動頻率 1/s振動周期 T反應(yīng)譜值13.51380.28461.456水利水電28.07300.12392.0311.1180.08991.899414.300.06991.699521.7760.04591.459624.9800.04001.400730.7340.03251.325834.1190.02931.293936.2630.02761.2761039.0430.02561.2

43、561140.8520.02451.2451243.2370.02311.2311347.9070.02091.2091449.6390.02011.2011552.4490.01911.1911655.5210.01801.1801756.6610.01761.1761858.6130.01711.171b.設(shè)置反應(yīng)譜分析求解選項設(shè)置分析類型： Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis ，彈出一個如圖 5-27所示對話框，在“ Type of analysis”欄后面選中“ Spectrum”，單擊“ OK ”按鈕。圖 5-

44、27 定義反應(yīng)譜分析對話框設(shè)置反應(yīng)譜分析選項：MainMenu>Solution>AnalysisType>Analysis Options ，彈出一個水利水電“ Spectrum Analysis”對話框，如圖 5-28所示，在“ Type of spectrum”后面欄中選取 “Single-pt resp”，在“ No. of modes for solu ”后面輸入“ 10”，在“ Calculate elem stress?”后面選中“ Yes”，單擊“ OK ”按鈕。設(shè)置反應(yīng)譜單點分析選項： Main Menu>Solution>Load Step O

45、pts>Spectrum>SinglePt> Settings，彈出一個 “ Setting for single-point Response Spectrum”對話框， 如圖 5-29所示。在“ Type of response spectrum”欄后面下拉菜單選中“ Seismic accel”，在“ SEDX ， SEDY， SEDZ”欄后面依次輸入“ 0、1、0”，單擊“ OK ”按，鈕。圖 5-28 設(shè)置反應(yīng)譜分析對話框水利水電圖5-29 設(shè)置單點反應(yīng)譜分析對話框定義反應(yīng)譜分析頻率表： Main Menu>Solution>Load Step Opts

46、>Spectrum>SinglePt>Freq Table ，彈出一個“ Frequency Table”對話框，如圖 5-30所示。根據(jù)表 5-1依次輸入大壩的前 18階振動頻率。定義反應(yīng)譜值： Main Menu>Solution>Load Step Opts>Spectrum>SinglePt>Spectr V alues，彈出一個“Spectrum Values Damping Ration”對話框， 單擊“ OK”按鈕。 彈出一個 “Spectrum Values” 對話框，如圖 5-30所示。根據(jù)表 5-1依次輸入大壩的前 18階反應(yīng)譜值。注意，輸入的振動頻率必須按升序排列。FREQ1必須大于零。圖5-30 定義頻率表對話框水利水電圖5-31 定義反應(yīng)