發(fā)展工程數(shù)值分析軟件課件

1、內容提要1 數(shù)值分析軟件的國家需求2 我國工程數(shù)值分析軟件現(xiàn)狀3 發(fā)展數(shù)值分析軟件的機遇4 利科軟件的構想與開發(fā)進展5 展望內容提要1 數(shù)值分析軟件的國家需求1 數(shù)值分析軟件的國家需求1993年8月27日，青海省海南藏族自治州共和縣境內的溝后水庫發(fā)生潰壩，沖毀大片農田、房舍、鋪面，死亡300余人，多人下落不明。2003年7月1日，上海軌道交通4號線發(fā)生涌水涌砂事故，直接經(jīng)濟損失1.5億元人民幣。2008年9月8日，山西襄汾發(fā)生尾礦壩潰壩事故，267人死亡。2008年11月15日，杭州地鐵風情大道工地發(fā)生塌陷事故，17人死亡，4人失蹤。2009年6月27日，上海市閔行區(qū)一在建13層住宅樓整體倒塌

2、，周圍樓宇也出現(xiàn)險情 1 數(shù)值分析軟件的國家需求1993年8月27日，青海省海南藏重大工程事故頻發(fā)原因：設計不當、施工方法欠妥和對工程運行問題處置不當造成。我國是目前世界上土木工程發(fā)展最快的國家，重大工程規(guī)模宏大、數(shù)量眾多、環(huán)境復雜是人類歷史上前所未有的，土木工程合理設計與防災減災已經(jīng)成為當今土木工程學科中最重要、最活躍和最具挑戰(zhàn)性的研究領域。數(shù)值分析軟件是復雜工程中必不可少的輔助設計工具重大工程事故頻發(fā)原因：設計不當、施工方法欠妥和對工程運行問題兩河口水電站工程以水電行業(yè)為例介紹國家需求兩河口水電站工程以水電行業(yè)為例介紹國家需求 2條初期導流洞土心墻堆石壩水電站是一個復雜的工程系統(tǒng)兩河口水電

3、站樞紐布置平面圖 2條初期導流洞土心墻堆石壩水電站是一個復雜的兩河口水電站壩體典型橫剖面圖 直心墻堆石壩最大壩高295m，壩頂寬度為16m，上、下游壩坡坡比為1:2.0、1:1.9。大壩填筑總量約4150萬m3。 心墻與上、下游壩殼堆石之間均設有反濾層、過渡層。心墻頂寬為6m，頂高程2874m，心墻上、下游坡均為1:0.2。大壩的設計需要進行壩體滲流場、位移場、應力場及其耦合分析、邊坡穩(wěn)定性分析兩河口水電站壩體典型橫剖面圖 直心墻堆石壩最大壩高2滲流、洞室布置與結構、邊坡穩(wěn)定性相互作用滲流、洞室布置與結構、邊坡穩(wěn)定性相互作用成都樂山宜賓西昌攀枝花沙江長江金雅礱江大渡河岷江嘉陵江重慶自貢瀑布溝水

4、電站水電站工程是水流控制工程成都樂山宜賓西昌攀枝花沙江長江金雅礱江大渡河岷江嘉陵江重慶自 上游工程的運行模式和風險直接影響流域下游 上游工程的運行模式和風險直接影響流域下游大壩、地下廠房、隧道、公路邊坡設計都需要大型數(shù)值計算軟件新建工程需要數(shù)值計算發(fā)展水力發(fā)電是節(jié)能減排的需要2020年我國水電裝機要比現(xiàn)在翻一番,新建工程大多為復雜工程已建工程的安全分析與管理需要數(shù)值分析水庫8萬多座堤防20多萬公里我國對數(shù)值計算軟件需求巨大大壩、地下廠房、隧道、公路邊坡設計都需要大型數(shù)值計算軟件我2 我國工程數(shù)值分析軟件現(xiàn)狀國外商業(yè)計算軟件大舉進入中國市場，讓中國企業(yè)（高校）花費大量的財力物力。 我國各高校、科

5、研院所、設計院都在大力采購國外的商業(yè)軟件，花費大量的財力。據(jù)了解，美國ITASCA公司的FLAC3D軟件在高校的價格是20萬以上，離散元程序PFC3D在高校的價格是30萬以上，比美國本土貴出1倍多，這還是所謂的“高校折扣價”。隔三差五出現(xiàn)的更新版本讓很多中國企業(yè)（高校）花費大量的財力進行升級更新。目前，很多高校宣傳材料，將擁有國外流行的商業(yè)軟件作為重要的軟件實力，爭相購買。而真正用好軟件的單位不多。 2 我國工程數(shù)值分析軟件現(xiàn)狀國外商業(yè)計算軟件大舉進入中國市場我國已有計算程序正在逐漸退出工程分析領域。我國的工程有限元分析從上世紀60年代起步，有很多單位編制了很好的計算程序，已經(jīng)在工程中得到廣泛

6、應用；傳統(tǒng)的計算程序沒有友好的界面和方便的前后處理功能，應用不便；程序的功能單一，缺乏持續(xù)的維護和驗證;計算速度慢，計算規(guī)模受到很大限制;正在逐漸退出巖土工程的數(shù)值分析領域；水利工程中自主軟件依然是應用中堅，但商業(yè)化幾乎空白，也面臨退出市場的局面我國已有計算程序正在逐漸退出工程分析領域。國際商業(yè)程序并非萬能，很多程序并不適用于中國國情 通用有限元軟件用于工程計算成本高，以Abaqus為代表，同類的還有Adina、Ansys等。通用程序設計時并非為工程專用，內容十分龐大，掌握這種程序至少要花費半年的時間摸索。巖土工程計算程序，以FLAC和FLAC3D為代表，同類的還有Plaxis、GeoStud

7、io等。但是對國外的巖土工程問題來開發(fā)的，并不完全適用于中國的國情。如沒有我國慣用的和我們自主研發(fā)的本構模型，很多使用者都嘗試過在商業(yè)程序中開發(fā)這些模型。這種工作一方面毫無創(chuàng)新，同時又會花費大量的時間去探索程序所提供的模型開發(fā)環(huán)境。另外，國外商業(yè)程序所提供的土體參數(shù)建議值，都沒有考慮到中國國情，很多參數(shù)實際上不適用于中國的工程問題。 國際商業(yè)程序并非萬能，很多程序并不適用于中國國情 自主軟件在我國水電工程中的作用自主軟件促進了水工的發(fā)展與技術進步攻關計劃、關鍵技術研究與軟件的發(fā)展相互促進自主軟件依然是水工分析的主流 很多單位開發(fā)了軟件,基本自用功能：滲流場、溫度場、應力場及其耦合，動力分析、邊

8、坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析壩、隧道和地下廠房、邊坡的分析大部分還是以自主軟件為主。也借助商業(yè)軟件（前后處理、二次開發(fā)、或直接應用）行業(yè)呼喚自主軟件的發(fā)展自主軟件在我國水電工程中的作用自主軟件促進了水工的發(fā)展與技術3 發(fā)展數(shù)值分析軟件的機遇市場需求：復雜的工程問題需要國家戰(zhàn)略：軟件是行業(yè)的核心競爭技術社會環(huán)境：行業(yè)呼吁“民族軟件”，打破“數(shù)值分析軟件，中國人不行”神話有利條件：工程部門支持，數(shù)學與交叉科學中心基礎：多年開發(fā)與工程應用成果，軟件雛形中科院力學所與數(shù)學研究院作為國家隊應該承擔3 發(fā)展數(shù)值分析軟件的機遇市場需求：復雜的工程問題需要中科4 利科軟件的構想與進展目標：界面友好，交互能力強、可靠性高

9、的巖土與結構工程分析軟件功能模塊滲流場應力位移場（靜力與動力響應）溫度場多場耦合穩(wěn)定安全系數(shù)4 利科軟件的構想與進展目標：界面友好，交互能力強、可靠性高為什么要做？水利水電的大開發(fā)和今后的維護管理需求巨大國外軟件的適用性不能完全滿足我們的要求我國在本構模型、計算方法等方面具有特點，核心技術并不落后我國有軟件開發(fā)的人才優(yōu)勢自主軟件是分析技術發(fā)展的平臺，核心技術不能受制于人關鍵：支持自主創(chuàng)新為什么要做？水利水電的大開發(fā)和今后的維護管理需求巨大關鍵：支怎么做？組織精干隊伍多單位分工協(xié)作，組織軟件技術、水工、力學、數(shù)學等多學科背景，有志于CAE軟件開發(fā)的人才隊伍資源共享開源、部分免費，共享開發(fā)成果開發(fā)

10、與應用結合開發(fā)工作結合行業(yè)需求進行應用于重大工程，起示范作用怎么做？組織精干隊伍關鍵問題與人才？友好交互前后處理界面計算機專業(yè)人才可靠、穩(wěn)定的計算模塊力學、工程、有限元結合的人才高性能求解器快速直接求解方法與求解器高性能迭代求解方法與求解器高性能優(yōu)化方法關鍵問題與人才？友好交互前后處理界面前后處理模塊開發(fā)一年多，現(xiàn)有開發(fā)人員4人，需要擴展隊伍計算模塊有近20年的發(fā)展歷程滲流計算模塊（已應用，基本成熟）靜力應力變形計算模塊（已應用，改進中）滲流應力變形耦合模塊（已應用，改進中）穩(wěn)定安全性計算模塊（正在開發(fā)）動力響應模塊（準備開發(fā)）溫度場計算模塊（準備開發(fā)）開發(fā)進展前后處理模塊開發(fā)進展前處理與后處

11、理界面主窗口主菜單樹形菜單坐標系信息窗主輸入簡體中文 版本:英文中文雙語不久將來前處理與后處理界面主窗口主菜單樹形菜單坐標系信息窗主輸入簡體前處理與后處理Step 1/5. Construct a geometry modelFrom lines to regionsStep 2/5. Create Material then apply to regions and linesStep 3/5. Create seeds on line then generate meshStep 4/5. set boundary conditions and calculation settings,

12、then calculateStep 5/5 : Contours Map & cloud pictures前處理與后處理Step 1/5. Construct a g滲流模塊計算模擬與實測比較2D 降雨入滲瞬變滲流2D 瞬變排水試驗瀑布溝、雙江口、長河壩、硬梁包、毛爾蓋、扎雪等多個工程的廠區(qū)和壩區(qū)滲流分析2D & 3D，穩(wěn)定&非穩(wěn)定、飽和&非飽和，土體&巖體滲流模塊計算模擬與實測比較2D 降雨入滲瞬變滲流2D 瞬變排應力變形模塊瀑布溝、長河壩、茅坪溪、水布埡、引子渡等多個工程的大壩應力變形分析2D & 3D3D 網(wǎng)格心墻特色本構：堆石料的解耦K-G模型硬填料的并聯(lián)本構模型接觸面特色：滲流與變

13、形耦合接觸面應力變形模塊瀑布溝、長河壩、茅坪溪、水布埡、引子渡等多個工程滲流應力耦合模塊長河壩、上海洋山港碼頭已應用2D & 3D計算模擬與理論解的比較 Filling elevation孔隙水壓力超孔隙水壓力拱壩壩基、軟基固結、霧雨入滲邊坡、邊坡穩(wěn)定等多方面都有耦合分析需求滲流應力耦合模塊長河壩、上海洋山港碼頭已應用2D & 3D計邊坡穩(wěn)定模塊( 正在進行 )2步邊坡穩(wěn)定分析 (強化的極限平衡法)獨立的應力分析優(yōu)化技術關鍵滑裂面性狀關鍵滑裂面的位置假定有限元計算得到的應力狀態(tài)“導入”到極限平衡分析之中，其應力狀態(tài)能夠代表滑裂面處的實際情況。邊坡穩(wěn)定模塊( 正在進行 )2步邊坡穩(wěn)定分析 (強化的極限平邊坡穩(wěn)定模塊( 正在進行 )Manners of “Importing Stresses” from a Finite Element Analysis into a Limit Equilibrium AnalysisNumerator: resisting shear strengthDenominator: actuating shear st