第5章ANSYS水利工程應(yīng)用實(shí)例分析

1、第5章 ANSYS水利工程應(yīng)用實(shí)例分析第5章 ANSYS水利工程應(yīng)用實(shí)例分析本章重點(diǎn) 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(shí)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(shí)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

2、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，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(jià)和監(jiān)控，是工程

3、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(jià)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(jià)，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(gè)方面：(1)應(yīng)用各種壩體工程的設(shè)計(jì)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(jià)，模擬壩體的溫度場和應(yīng)力場，借助模擬結(jié)果修改設(shè)計(jì)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(jì)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

4、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(jià)。(3)應(yīng)用于各種水庫閘門的設(shè)計(jì)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。5.2 ANSYS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(diǎn)：(1)

5、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(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算比較簡單。鑒于重力壩有如此多優(yōu)點(diǎn)，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)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(cái)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(gè)步驟：1、創(chuàng)建物理環(huán)境2、建立

6、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(jì)算結(jié)果）5.2.1 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(shí)，進(jìn)入ANSYS前處理器，建立這個(gè)壩體抗震性能分析的數(shù)學(xué)仿真模型。按照以下幾個(gè)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>Preferences，執(zhí)行上述命令后，彈出一個(gè)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

7、分析時(shí)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）在進(jìn)行分析前，可以給你所要進(jìn)行的分析起一個(gè)能夠代表所分析內(nèi)容的標(biāo)題，比如“Dam stability 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、 說明單元類型及其選項(xiàng)（KEYOPT選項(xiàng)）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

8、用PLANE42單元來模擬。大多數(shù)單元類型都有關(guān)鍵選項(xiàng)（KEYOPTS），這些選項(xiàng)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(xiàng)的方式如下：命令：ET KEYOPTGUI：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete圖5-1 GUI圖形界面過濾4定義單位結(jié)構(gòu)分析只有時(shí)間單位、長度單位和質(zhì)量單位三個(gè)基本單位，則所有輸入的數(shù)據(jù)都應(yīng)當(dāng)是這三個(gè)單

9、位組成的表達(dá)方式。如標(biāo)準(zhǔn)國際單位制下，時(shí)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kgm/s2（相當(dāng)于牛頓N），材料的彈性模量單位是kg/ms2（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(shí)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，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?yàn)檫M(jìn)行壩體抗震性能分析時(shí)，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

10、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>Other>Change Mat Props>Material Modelsu 壩體靜力分析時(shí)可考慮材料的非線性，但進(jìn)行抗震性能分析時(shí)，需要將非線性參數(shù)：內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力刪除。5.2.2 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(shí)，需要建立模擬壩體的PLANE8

11、2單元。在建立好的模型指定特性（單元類型、選項(xiàng)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(diǎn)擊模型中要選定的區(qū)域。3、在對話框中為所選定的區(qū)域說明材料號、實(shí)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）u 建立大壩模型時(shí)，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。u 進(jìn)行大壩3-D模擬

12、分析時(shí)，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(shí)，只需用一個(gè)PLANE42單元就可以。5.2.3 施加約束和荷載在施加邊界條件和荷載時(shí)，既可以給實(shí)體模型（關(guān)鍵點(diǎn)、線、面）也可以給有限元模型（節(jié)點(diǎn)和單元）施加邊界條件和荷載。在求解時(shí)，ANSYS程序會自動將加到實(shí)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(jì)算，分為水平力及垂

13、直力。 水平力： (5-1)垂直力： (5-2) 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(jì)。只計(jì)算反弧段上的動水壓力。(5)冰壓力

14、。在寒冷地區(qū)水庫表面冬季結(jié)成冰蓋，當(dāng)氣溫回升時(shí)，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。(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。5.2.4 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(xiàng)的設(shè)置，從數(shù)據(jù)庫獲取模型和載荷信息并進(jìn)行計(jì)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(jì)條件下的工作形態(tài)，對混凝土重力壩方案的可靠

15、性進(jìn)行評價(jià)評價(jià)大壩命令：SOLVEGUI：Main Menu>Solution>Solve> Current LS2.動力分析求解由于地震時(shí)的地面運(yùn)動以水平方向?yàn)橹?，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方向的地震載荷的作用。對重力壩抗震性能計(jì)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(xiàng)應(yīng)力、位移的抗震分析方法。它是假定地震時(shí)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(shí)的慣性力，然后根據(jù)慣性力來評價(jià)大壩的安全性。根據(jù)擬靜力分析方法，大壩的水平地震

16、慣性力可簡化為： ( 5-3 )式中：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；綜合影響系數(shù)，重力壩取為1/4；地震慣性力系數(shù)；產(chǎn)生慣性力的建筑物的總重量。采用擬靜力法計(jì)算重力壩的地震作用效應(yīng)時(shí)，水深h處的地震動水壓力的代表值的計(jì)算： ( 5-4 )式中：作用在直立迎水壩面水深h處的動水壓力代表值；水平向地震加速度的代表值，地震烈度為8時(shí)對應(yīng)的值是0.2g；地震作用效應(yīng)折減系數(shù)，除另有規(guī)定外，取0.25；水深h處的地震動水壓力分布系數(shù)；水體質(zhì)量密度的標(biāo)準(zhǔn)值；水總深度。與水平面夾角為的傾斜迎水壩面，按公式(5-4)計(jì)算的動水壓力代表值乘以折減系數(shù)： ( 5-5 )2)反應(yīng)譜分

17、析法反應(yīng)譜分析法是以單質(zhì)點(diǎn)彈性體系在實(shí)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力化，使得復(fù)雜的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)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(shí)際地面運(yùn)動來計(jì)算建筑物的反應(yīng)。反應(yīng)譜是單點(diǎn)彈性體系對于實(shí)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(gè)振型又可轉(zhuǎn)化為一個(gè)單質(zhì)點(diǎn)來考慮。使用已經(jīng)確定的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜計(jì)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(shí)間的都有關(guān)系。在進(jìn)行譜分析計(jì)算前，首先要計(jì)算大壩的自振特性。模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的振

18、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(jì)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(jì)算中采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。 ( 5-6 )根據(jù)如圖5-2所示的大壩設(shè)計(jì)的反應(yīng)譜曲線圖，可得大壩反應(yīng)譜曲線方程： ( 5-7)圖5-2 大壩設(shè)計(jì)反應(yīng)譜本次重力壩抗震性能分析中，取值為2，取值為0.2，特征周期取值為0.2S。3)時(shí)程分析法時(shí)程分析方法是將地震動記錄或人工波作用在結(jié)構(gòu)上.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(shí)刻地震反應(yīng)的分析方法，所以動態(tài)時(shí)程分析方法也稱為直接積分法。u 本次大壩抗震性能實(shí)例分析

19、采用反應(yīng)譜分析方法。5.2.5 后處理 后處理的目的是以圖和表的形式描述計(jì)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(diǎn)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 Postprocu 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。5.3 ANSYS重力壩抗震性能實(shí)例分析5.3.1實(shí)例介紹圖5-3 重力壩斷面結(jié)構(gòu)實(shí)例選取應(yīng)用非常廣泛的重力壩，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?yàn)橹?/p>

20、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(jì)算條件如下：1） 假設(shè)大壩的基礎(chǔ)是嵌入到基巖中，地基是剛性的。2） 大壩采用的材料參數(shù)為：彈性模量E=35GPa，泊松比=0.2，容重=25KN/。3） 計(jì)算分析大壩水位為120米。4） 水的質(zhì)量密度1000kg/。5） 大壩設(shè)防地震烈度為8，水平方向地震加速度值為0.2g。5.3.2 GUI操作方法5.3.2.1 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 Produ

21、ct 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 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

22、> 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(gè)單元類型對話框，單擊“Add”按鈕。彈出如圖5-5所示對話框。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。圖5-5 定義PLANE42單元對話框 b

23、.設(shè)定PLANE42單元選項(xiàng)：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，彈出一個(gè)單元類型對話框，選中“Type 2 PLANE42”，單擊“Options”按鈕，彈出一個(gè)“PLANE42 element Type options”對話框，如圖5-6所示。在“Element 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(xiàng)對話框u 通過設(shè)置PLANE42單元選項(xiàng)“K3”為“Pla

24、ne strain”來設(shè)定本實(shí)例分析采取平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析。因?yàn)榇髩问强v向很長的實(shí)體，故計(jì)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 Model Behavior”對話框，如圖5-7所示。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 Propert

25、ies 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 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5.3.2.2 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(diǎn)：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Crea

26、te>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 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(diǎn)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

27、，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(diǎn)對話框b.創(chuàng)建壩體線模型：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Lines>Straight line，彈出“Creae straight lines”對話框，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊關(guān)鍵點(diǎn)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(diǎn)“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。圖5-11 壩體線模型2）創(chuàng)建壩體面模型a.打開關(guān)鍵點(diǎn)編號顯示：Uti

28、lity Menu> PlotCtrls> Numbering，彈出“Plot Numbering Controls”對話框，如圖5-12所示。選中“Keypoint Numbers” 選項(xiàng)，后面的文字由“off”變?yōu)椤皁n”,單擊“OK”關(guān)閉窗口。圖5-12 打開關(guān)鍵點(diǎn)編號對話框b.創(chuàng)建壩體面模型：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>Through KPs，彈出一個(gè)“Create Area by Keypoints”對話框，在圖形中選取關(guān)鍵點(diǎn)1、2、3、4和5，點(diǎn)擊“Ap

29、ply ”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>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Layers>Picked Lines，彈出一個(gè)“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(gè)“Area Layer Mesh Control on Picked lines”對話框，如圖5-15所示，在“No of line division”欄后面輸入“20”，單擊

30、“OK”按鈕。 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；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(gè)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(gè)“Save Database”對話框，在“Save Database to”下面輸入欄中輸入文件名

31、“dam-grid.db”，單擊“OK”。圖5-16 壩體單元網(wǎng)格圖5-17 給壩體底部施加位移約束對話框5.3.2.3 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，彈出在節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，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“A

32、pply as”欄后面的下拉菜單中選取“Constant 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

33、速度對話框 3)施加水壓力載荷：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Structure>on Lines，彈出一個(gè)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。圖5-19 施加水壓力載荷對話框u 本次加的荷載是水深為120米時(shí)作用在壩上的水壓力，迎水面波度是87度。5.3.2.4 求解1.靜力分析求解1)求解設(shè)置a.指定求解類型：Main Menu&

34、gt;Solution>Analysis Type>New Analysis，彈出一個(gè)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： Main Menu>Preprocessor>Loads>Analysis Type>Sol'n Controls，彈出一個(gè)“Solution Controls”對話框，用鼠標(biāo)單擊“Basic”選項(xiàng)，如圖5-21所示，在“Number of Substeps”欄后面輸入“5”，在“Max no. of subste

35、ps”欄后面輸入“100”，在“Min no. of substeps”欄后面輸入“1”，單擊“OK”按鈕。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(gè)“Solution Controls”對話框，用鼠標(biāo)單擊“Nonlinear”選項(xiàng)，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>Solve>Current LS，彈出一個(gè)求解選項(xiàng)信息和一個(gè)當(dāng)前求

36、解載荷步對話框，檢查信息無錯(cuò)誤后，單擊“OK”，開始求解運(yùn)算，直到出現(xiàn)一個(gè)“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(gè)“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”。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(xiàng)對話框2.抗震性能分析求解1）模態(tài)分析求解a.設(shè)置分析類型：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，

37、彈出一個(gè)如圖5-20所示對話框，在“Type of analysis”欄后面選中“Modal”，單擊“OK”按鈕。b.設(shè)置模態(tài)分析選項(xiàng)：Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options，彈出一個(gè)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“Expand mode shapes”后面小方框用鼠標(biāo)選中，單擊“OK”按鈕，又彈出一個(gè)“Sunspace Modal Analysis”對話框，如圖

38、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(shí)子空間設(shè)置對話框圖5-25 模態(tài)求解選項(xiàng)信息c.模態(tài)分析求解：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個(gè)模態(tài)求解選項(xiàng)信息（如圖5-25所示）和一個(gè)當(dāng)前求解載荷步對話框，檢查信息無錯(cuò)誤后，單擊“OK”，開始求解運(yùn)算，直到出現(xiàn)一個(gè)“Solution is done”的提示欄，表示求解結(jié)束。d. 保存求解結(jié)果；Utility Menu> File> Save as，彈出一個(gè)“Save Database”對話框，在“Save Database to”下面輸入欄中輸

39、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。u 動力求解和靜力求解的模型相同，約束條件也相同。u 譜分析時(shí)，ANSYS忽略材料非線性。u 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)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(jì)算出前10階的反應(yīng)譜值，見表5-1。表5-1 大壩動力計(jì)算前10階振動頻率及反應(yīng)譜值振型振動頻率1/

40、s振動周期T反應(yīng)譜值13.51380.28461.45628.07300.12392.0311.1180.08991.899414.300.06991.699521.7760.04591.459624.9800.04001.400730.7340.03251.325834.1190.02931.293936.2630.02761.2761039.0430.02561.2561140.8520.02451.2451243.2370.02311.2311347.9070.02091.2091449.6390.02011.2011552.4490.01911.1911655.5210.01801.1

41、801756.6610.01761.1761858.6130.01711.171b.設(shè)置反應(yīng)譜分析求解選項(xiàng)u 設(shè)置分析類型：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，彈出一個(gè)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5-27 定義反應(yīng)譜分析對話框u 設(shè)置反應(yīng)譜分析選項(xiàng)：Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options，彈出一個(gè)“Spectrum Analysis”對話框，如圖5-28所示，

42、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。u 設(shè)置反應(yīng)譜單點(diǎn)分析選項(xiàng)：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Spectrum>SinglePt>Settings，彈出一個(gè)“Setting for single-point Response Spectrum”對話框，如圖5-29所示。在“Type of response spectrum”欄后

43、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)譜分析對話框圖5-29 設(shè)置單點(diǎn)反應(yīng)譜分析對話框u 定義反應(yīng)譜分析頻率表：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Spectrum>SinglePt>Freq Table，彈出一個(gè)“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。u 定義反應(yīng)譜值：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Sp

44、ectrum>SinglePt>Spectr Values，彈出一個(gè)“Spectrum Values Damping Ration”對話框，單擊“OK”按鈕。彈出一個(gè)“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。Ø 注意，輸入的振動頻率必須按升序排列。Ø FREQ1必須大于零。圖5-30 定義頻率表對話框圖5-31 定義反應(yīng)譜值對話框c.反應(yīng)譜分析求解：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個(gè)模態(tài)求解選項(xiàng)信息和一個(gè)當(dāng)前求解載荷步對話框，檢查信息無錯(cuò)

45、誤后，單擊“OK”，開始求解運(yùn)算，直到出現(xiàn)一個(gè)“Solution is done”的提示欄，表示求解結(jié)束。d. 保存求解結(jié)果；Utility Menu> File> Save as，彈出一個(gè)“Save Database”對話框，在“Save Database to”下面輸入欄中輸入文件名“Dam-spectrum.db”，單擊“OK”。3) 模態(tài)擴(kuò)展分析求解a.設(shè)置分析類型：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，彈出一個(gè)“New Analysis”對話框，在“Type of analysis”欄后面選中“Mod

46、al”，單擊“OK”按鈕。b.設(shè)置模態(tài)擴(kuò)展分析求解選項(xiàng)u 定義模態(tài)擴(kuò)展分析：Main Menu>Solution>Analysis Type>ExpansionPass，彈出一個(gè)“Expansion Pass”對話框，如圖5-32所示，選中“Expansion Pass” 選項(xiàng)，后面的文字由“off”變?yōu)椤皁n”,單擊“OK”關(guān)閉窗口。圖5-32 模態(tài)擴(kuò)展對話框u 設(shè)置模態(tài)擴(kuò)展分析：Main Menu>Preprocessor>Loads>Load Step Opts>ExpansionPass>Single Expand>Expand M

47、odes，彈出一個(gè)“Expand Modes”對話框，如圖5-33所示，在“No. of modes to expand”欄后面輸入“18”，其它如圖中設(shè)置，單擊“OK”按鈕。圖5-33 模態(tài)擴(kuò)展分析設(shè)置對話框c.模態(tài)擴(kuò)展分析求解：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個(gè)模態(tài)求解選項(xiàng)信息和一個(gè)當(dāng)前求解載荷步對話框，檢查信息無錯(cuò)誤后，單擊“OK”，開始求解運(yùn)算，直到出現(xiàn)一個(gè)“Solution is done”的提示欄，表示求解結(jié)束。d. 保存求解結(jié)果；Utility Menu> File> Save as，彈出一個(gè)“Save

48、Database”對話框，在“Save Database to”下面輸入欄中輸入文件名“Dam-expand.db”，單擊“OK”。4)合并模態(tài)分析求解a.設(shè)置分析類型：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，彈出一個(gè)“New Analysis”對話框，在“Type of analysis”欄后面選中“spectrum”，單擊“OK”按鈕。b.按平方和方根法進(jìn)行組合：Main Menu>Solution>Load Step Opts> Spectrum> SinglePt>Mode Combin

49、e，彈出一個(gè)“Mode Combination Methods”對話框，如圖5-34所示，在“Mode Combination Method”欄后面下拉菜單中選取“SRSS”，在“Signification threshold”欄后面輸入“0.1”，在“Type of output”欄后面下拉菜單中選取“Displacement”，單擊“OK”按鈕。圖5-34 合并模態(tài)求解設(shè)置對話框c.合并模態(tài)分析求解：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個(gè)模態(tài)求解選項(xiàng)信息和一個(gè)當(dāng)前求解載荷步對話框，檢查信息無錯(cuò)誤后，單擊“OK”，開始求解運(yùn)算，直到

50、出現(xiàn)一個(gè)“Solution is done”的提示欄，表示求解結(jié)束。d. 保存求解結(jié)果；Utility Menu> File> Save as，彈出一個(gè)“Save Database”對話框，在“Save Database to”下面輸入欄中輸入文件名“Dam- combination.db”，單擊“OK”。5.3.2.5 后處理 對壩體進(jìn)行了靜力分析和動力分析，通過對重力壩靜力有限元分析，可以知道壩體在靜力載荷作用下的位移場和應(yīng)力場，從而可以了解壩體的安全性能。通過對重力壩抗震性能有限元分析，可以了解大壩的地震載荷作用下的動力響應(yīng)特性，從而可以評價(jià)大壩在地震載荷作用下的安全性能。1

51、.靜力分析求解結(jié)果a.讀入靜力分析求解結(jié)果數(shù)據(jù)：Utility Menu> resume，彈出一個(gè)“Resume Database”對話框，選中剛才保存的文件“Dam-static.db”，單擊“OK”按鈕。圖5-35 繪制變形圖對話框b.繪制壩體變形圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape，彈出一個(gè)“Plot Deform Shape”對話框，如圖5-35所示。選中“Def +undeformed”，單擊“OK”按鈕，得到壩體變形圖，如圖5-36所示。圖5-36 壩體變形圖5-37 節(jié)點(diǎn)解云圖繪制

52、對話框 c. 顯示壩體x方向位移云圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，彈出一個(gè)“Contour Nodal Solution Data”對話框，如圖5-37所示，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊“Nodal Solution/DOF Solution/ X-Compoment of displacement”，再單擊“OK”按鈕，就得到壩體X方向位移云圖，如圖5-38所示。此時(shí)，壩體水平方向最大位移為12.111mm，位置發(fā)生在壩頂。圖5-38 壩體x方向位移云圖 d.顯示壩體y方向位移云圖：

53、Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，彈出一個(gè)“Contour Nodal Solution Data”對話框，如圖5-37所示，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊“Nodal Solution/Stress/ Y-Compoment of displacement”，再單擊“OK”按鈕，就得到壩體Y方向位移云圖，如圖5-39所示。此時(shí)，壩體垂直方向最大位移為0.44mm，發(fā)生在壩腹處。圖5-39 壩體y方向位移云圖e.顯示壩體x方向應(yīng)力云圖：Main Menu>General Postproc

54、>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，彈出一個(gè)“Contour Nodal Solution Data”對話框，如圖5-37所示，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊“Nodal Solution/stress/ x-Compoment of stress”，再單擊“OK”按鈕，就得到壩體x方向應(yīng)力云圖，如圖5-40所示。f.顯示壩體y方向應(yīng)力云圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，彈出一個(gè)“Contour Nodal Solution Dat

55、a”對話框，如圖5-37所示，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊“Nodal Solution/stress/ y-Compoment of stress”，再單擊“OK”按鈕，就得到壩體x方向應(yīng)力云圖，如圖5-41所示。圖5-40 壩體x方向應(yīng)力云圖圖5-41 壩體y方向應(yīng)力云圖圖5-42 第一主應(yīng)力云圖g.顯示壩體第一主應(yīng)力云圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，彈出一個(gè)“Contour Nodal Solution Data”對話框，如圖5-37所示，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊“Nodal Soluti

56、on/stress/ 1st principal stress”，再單擊“OK”按鈕，就得到壩體第一主應(yīng)力云圖，如圖5-42所示。2. 抗震性能分析求解結(jié)果1）繪制壩體振型圖a.讀入模態(tài)分析分析求解結(jié)果數(shù)據(jù)：Utility Menu> resume，彈出一個(gè)“Resume Database”對話框，選中剛才保存的文件“Dam-modal.db”，單擊“OK”按鈕。b.繪制壩體第1階震型u 讀入第1階數(shù)據(jù)：Main Menu>General Postproc>Read Results>First set.u 繪制壩體第1階震型：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape，彈出一個(gè)“Plot Deform Shape”對話框，選中“Def +undeformed”，單擊“OK”按鈕，得到壩體第1階震型，如圖5-43所示。c. 繪制壩體第2階震型u 讀入第2階數(shù)據(jù)：Main Menu>General Postproc>Read Results>Next set.u 繪制壩體第2階震型：Main Menu>