第5章ANSYS水利工程應用實例分析

1、第5章 ANSYS水利工程應用實例分析第5章 ANSYS水利工程應用實例分析本章重點 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害。為了解決這一矛盾，人們修建了許多水利工程來達到防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運等目的，促進國民經濟建設的發(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、供水而建的進水閘、揚水站等。(5)整治建筑物用以調整水流與河床、河岸的相互作用以及防護水庫、湖泊中的波浪和水流對岸坡的沖刷，如丁壩、順壩、導流堤、護底和護岸等。由于破壞后果的災難性，大型水利工程建設的首要目標是安全可靠，其次才是經濟合理。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

3、技術人員需要解決的課題，正確分析大壩性態(tài)已經成為當務之急。當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行安全評價，其中應用比較廣泛的是ANSYS軟件。目前，ANSYS軟件在水利工程中主要應用以下幾個方面：(1)應用各種壩體工程的設計和施工利用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）下結構的安全性能進行評價，模擬壩體的溫度場和應力場，借助模擬結果修改設計或對壩體采取加固措施。(2)應用于各種引水隧道、引水涵管等設計和施工利用ANSYS軟件，模擬這些工程開挖、支護、澆注、回填過程，分析結構在載

4、荷作用下的變形情況、結構的安全可靠度，以及襯砌支護結構在水壓、溫度發(fā)生變化后產生的變形情況和結構內力，依靠ANSYS模擬結果對結構安全性進行評價。(3)應用于各種水庫閘門的設計和施工水庫閘門在上游水作用下將發(fā)生彎曲、扭轉、剪切和拉壓等組合變形，利用ANSYS中的SHELL63單元來模擬閘門，利用大型結構有限元分析程序ANSYS，對閘門結構進行三維有限元分析，根據(jù)分析結果進行強度校核。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：(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，因而失事率較低。(2)對地形、地質條件適應性強，壩體作用于地基面上的壓應力不高，所以對地質條件的要求也較低，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，便于機械化施工。(5)結構作用明確，應力計算和穩(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產在偶發(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

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（查看計算結果）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，進入ANSYS前處理器，建立這個壩體抗震性能分析的數(shù)學仿真模型。按照以下幾個步驟來建立物理環(huán)境：1、 設置GUT菜單過濾如果你希望通過GUI路徑來運行ANSYS，當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圖形界面進行過濾，選擇Structural以便在進行壩體抗震性能

7、分析時過濾掉一些不必要的菜單及相應圖形界面。2、 定義分析標題（TITLE）在進行分析前，可以給你所要進行的分析起一個能夠代表所分析內容的標題，比如“Dam stability Analysis”，以便能夠從標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題。命令：TITLEGUI：Utility Menu>File>Change Title3、 說明單元類型及其選項（KEYOPT選項）與ANSYS的其他分析一樣，也要進行相應的單元選擇。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構和材料，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置KEYOPT(3) 平面應力、軸對稱、平面應變或考慮厚度的平面應力設置KEYOPT(5) 解輸出控制設置單元以及其關鍵選項的方式如下：命令：ET KEYOPTGUI：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete圖5-1 GUI圖形界面過濾4定義單位結構分析只有時間單位、長度單位和質量單位三個基本單位，則所有輸入的數(shù)據(jù)都應當是這三個單

9、位組成的表達方式。如標準國際單位制下，時間是秒（s），長度是米（m），質量是千克（kg），則導出力的單位是kgm/s2（相當于牛頓N），材料的彈性模量單位是kg/ms2（相當于帕Pa）。命令：/UNITS5、定義材料屬性大多數(shù)單元類型在進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，如結構材料屬性參數(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。因為進行壩體抗震性能分析時，ANSYS默認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 壩體靜力分析時可考慮材料的非線性，但進行抗震性能分析時，需要將非線性參數(shù)：內摩擦角和內聚力刪除。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。在進行壩體抗震性能分析時，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、選項和材料性質等）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)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，壩體和地基是賦予不同材料屬性，本文只進行壩體抗震性能分析。u 進行大壩3-D模擬

12、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。5.2.3 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程序會自動將加到實體模型上的邊界條件和載荷轉遞到有限元模型上。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)靜水力學原理計算，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，從而使得壩體內和壩底面產生滲透水壓力。(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

14、。在寒冷地區(qū)水庫表面冬季結成冰蓋，當氣溫回升時，冰蓋發(fā)生膨脹，因而對擋水建筑物上游面產生冰壓力。(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，對壩面產生泥沙壓力。(7)浪壓力。浪壓力與風速和水庫吹程有關，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行靜力求解：在ANSYS程序根據(jù)現(xiàn)有選項的設置，從數(shù)據(jù)庫獲取模型和載荷信息并進行計算求解，將結果數(shù)據(jù)寫入到結果文件和數(shù)據(jù)庫中。得到壩體在靜力荷載作用下的位移場與應力，了解壩體在設計條件下的工作形態(tài)，對混凝土重力壩方案的可靠

15、性進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動以水平方向為主，在地震力作用下結構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)的靜力法進行壩體的各項應力、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

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效應時，水深h處的地震動水壓力的代表值的計算： ( 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時對應的值是0.2g；地震作用效應折減系數(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)；水體質量密度的標準值；水總深度。與水平面夾角為的傾斜迎水壩面，按公式(5-4)計算的動水壓力代表值乘以折減系數(shù)： ( 5-5 )2)反應譜分

17、析法反應譜分析法是以單質點彈性體系在實際地震過程中的反應為基礎，來進行結構反應的分析，它通過反應譜巧妙地將動力問題靜力化，使得復雜的結構地震反應計算變得簡單易行。按照這一理論，應用地震譜曲線，就可以按照實際地面運動來計算建筑物的反應。反應譜是單點彈性體系對于實際地面運動的最大反應和體系自振周期的函數(shù)關系。對于復雜的結構可以簡化為若干振型的疊加，每個振型又可轉化為一個單質點來考慮。使用已經確定的設計反應譜計算重力壩在地震作用下的反應，就歸結為尋求壩體的自振特性。地震產生的破壞，與受力大小和受頻譜的最大振動的持續(xù)時間的都有關系。在進行譜分析計算前，首先要計算大壩的自振特性。模態(tài)分析用于確定結構的振

18、動特性，即結構的固有頻率和振型，它們是結構承受動態(tài)荷載設計中的重要參數(shù)，也是更詳細的動力分析的基礎。模態(tài)分析計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)轉化為相應的壩面附加質量。 ( 5-6 )根據(jù)如圖5-2所示的大壩設計的反應譜曲線圖，可得大壩反應譜曲線方程： ( 5-7)圖5-2 大壩設計反應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構上.直接對結構運動方程進行積分，求得結構任意時刻地震反應的分析方法，所以動態(tài)時程分析方法也稱為直接積分法。u 本次大壩抗震性能實例分析

19、采用反應譜分析方法。5.2.5 后處理 后處理的目的是以圖和表的形式描述計算結果。對于大壩抗震性能分析中，進入后處理器后，查看大壩變形圖和節(jié)點的位移和應力。通過研究大壩的變形、位移和應力情況，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果，再查看大壩動力分析求解結果。5.3 ANSYS重力壩抗震性能實例分析5.3.1實例介紹圖5-3 重力壩斷面結構實例選取應用非常廣泛的重力壩，斷面結構如圖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

20、力壩結構比較簡單，垂直于長度方向的斷面結構受力分布情況也基本相同，并且大壩的縱向長度遠大于其橫斷面，因此大壩抗震性能分析選用單位斷面進行平面應變分析是可行的。大壩抗震性能分析的計算條件如下：1） 假設大壩的基礎是嵌入到基巖中，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） 計算分析大壩水位為120米。4） 水的質量密度1000kg/。5） 大壩設防地震烈度為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”來對后面的分析進行菜單及相應的圖形界面過濾。5）定義工作標題：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。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“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默認設置就可以，單擊“OK”按鈕。圖5-6 PLANE42單元庫類型選項對話框u 通過設置PLANE42單元選項“K3”為“Pla

24、ne strain”來設定本實例分析采取平面應變模型進行分析。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.輸入關鍵點：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)建了關鍵點1。再依次重復在“NPT keypoint number”欄后面輸入“2、3、4、5”，在對應“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 在當前坐標系創(chuàng)建關鍵點對話框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，用鼠標依次點擊關鍵點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。圖5-11 壩體線模型2）創(chuàng)建壩體面模型a.打開關鍵點編號顯示：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，后面的文字由“off”變?yōu)椤皁n”,單擊“OK”關閉窗口。圖5-12 打開關鍵點編號對話框b.創(chuàng)建壩體面模型：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>Through KPs，彈出一個“Create Area by Keypoints”對話框，在圖形中選取關鍵點1、2、3、4和5，點擊“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.設置網(wǎng)格份數(shù)：Main Menu>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 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 設置網(wǎng)格分數(shù)對話框相同方法設置線L2分割份數(shù)為32；設置線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

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)點上施加位移約束對話框，用鼠標選取隧道模型兩側邊界上所有節(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“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，彈出一個對話框，用鼠標選中線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)求解設置a.指定求解類型：Main Menu&

34、gt;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.設置載荷步： Main Menu>Preprocessor>Loads>Analysis Type>Sol'n Controls，彈出一個“Solution Controls”對話框，用鼠標單擊“Basic”選項，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設置載荷步對話框 c.設置線性搜索：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>Solve>Current LS，彈出一個求解選項信息和一個當前求

36、解載荷步對話框，檢查信息無錯誤后，單擊“OK”，開始求解運算，直到出現(xiàn)一個“Solution is done”的提示欄，表示求解結束。b. 保存求解結果；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”。圖5-22設置線性搜索對話框圖5-23 設置模態(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.設置分析類型：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，

37、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。b.設置模態(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“Expand mode shapes”后面小方框用鼠標選中，單擊“OK”按鈕，又彈出一個“Sunspace Modal Analysis”對話框，如圖

38、5-24所示，按圖中設置后，單擊“OK”按鈕。圖5-24 模態(tài)分析求解時子空間設置對話框圖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（如圖5-25所示）和一個當前求解載荷步對話框，檢查信息無錯誤后，單擊“OK”，開始求解運算，直到出現(xiàn)一個“Solution is done”的提示欄，表示求解結束。d. 保存求解結果；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

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，ANSYS忽略材料非線性。u 調出模態(tài)分析各階頻率是為后面求解反應譜值。2）反應譜分析求解a.求出反應譜值：由圖5-26中前18階頻率值f，可以算出對應的周期T，再根據(jù)大壩反應譜曲線方程（式5-7），可以計算出前10階的反應譜值，見表5-1。表5-1 大壩動力計算前10階振動頻率及反應譜值振型振動頻率1/

40、s振動周期T反應譜值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.設置反應譜分析求解選項u 設置分析類型：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5-27 定義反應譜分析對話框u 設置反應譜分析選項：Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options，彈出一個“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 設置反應譜單點分析選項：Main Menu>Solution>Load Step Opts>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

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 設置反應譜分析對話框圖5-29 設置單點反應譜分析對話框u 定義反應譜分析頻率表：Main Menu>Solution>Load Step Opts>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。u 定義反應譜值：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Sp

44、ectrum>SinglePt>Spectr Values，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 定義反應譜值對話框c.反應譜分析求解：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個模態(tài)求解選項信息和一個當前求解載荷步對話框，檢查信息無錯

45、誤后，單擊“OK”，開始求解運算，直到出現(xiàn)一個“Solution is done”的提示欄，表示求解結束。d. 保存求解結果；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-spectrum.db”，單擊“OK”。3) 模態(tài)擴展分析求解a.設置分析類型：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，彈出一個“New Analysis”對話框，在“Type of analysis”欄后面選中“Mod

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

47、odes，彈出一個“Expand Modes”對話框，如圖5-33所示，在“No. of modes to expand”欄后面輸入“18”，其它如圖中設置，單擊“OK”按鈕。圖5-33 模態(tài)擴展分析設置對話框c.模態(tài)擴展分析求解：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個模態(tài)求解選項信息和一個當前求解載荷步對話框，檢查信息無錯誤后，單擊“OK”，開始求解運算，直到出現(xiàn)一個“Solution is done”的提示欄，表示求解結束。d. 保存求解結果；Utility Menu> File> Save as，彈出一個“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.設置分析類型：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，彈出一個“New Analysis”對話框，在“Type of analysis”欄后面選中“spectrum”，單擊“OK”按鈕。b.按平方和方根法進行組合：Main Menu>Solution>Load Step Opts> Spectrum> SinglePt>Mode Combin

49、e，彈出一個“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)求解設置對話框c.合并模態(tài)分析求解：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個模態(tài)求解選項信息和一個當前求解載荷步對話框，檢查信息無錯誤后，單擊“OK”，開始求解運算，直到

50、出現(xiàn)一個“Solution is done”的提示欄，表示求解結束。d. 保存求解結果；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- combination.db”，單擊“OK”。5.3.2.5 后處理 對壩體進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特性，從而可以評價大壩在地震載荷作用下的安全性能。1

51、.靜力分析求解結果a.讀入靜力分析求解結果數(shù)據(jù)：Utility Menu> resume，彈出一個“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“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“Contour Nodal Solution Data”對話框，如圖5-37所示，用鼠標依次點擊“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，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“Contour Nodal Solution Data”對話框，如圖5-37所示，用鼠標依次點擊“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，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方向應力云圖：Main Menu>General Postproc

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

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

56、on/stress/ 1st principal stress”，再單擊“OK”按鈕，就得到壩體第一主應力云圖，如圖5-42所示。2. 抗震性能分析求解結果1）繪制壩體振型圖a.讀入模態(tài)分析分析求解結果數(shù)據(jù)：Utility Menu> resume，彈出一個“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“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>