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1、（建筑工程管理）工程硕士论文正文基于ANSYS的拱坝有限元仿真分析及其在病险水库除险加固中的应用重庆大学工程硕士学位论文学生姓名：李军指导教师：姚刚兼职导师：高强工程领域：水工结构重庆大学建筑与土木工程学院二O一三年四月FiniteelementsimulationanalysisofarchdambasedonANSYSanditsapplicationinthereinforcementofdangerousreservoirAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegr
2、eeofMasterofEngineeringByLiJunSupervisedbyYaoGangPluralisticSupervisedbyGaoQiangSpecialty：hydro-structureCollegeofArchitectureandCivilEngineeringofChongqingUniversity，Chongqing，ChinaApril2013摘要复杂的地形地貌和地质条件下拱坝有限元模型建立和非线性仿真分析是目前拱坝设计和分析中的重要研究课题。本文对拱坝的分析方法做了总结对比，研究了有限元分析中的可视化、参数化方法及它们实施技术，开发了基于ANSYS平台的拱
3、坝有限元仿真分析系统，并结合实际工程对重庆市酉阳县境内胜利水库双曲拱坝进行了三维非线性有限元整体稳定仿真分析。首先，研究了有限元中的可视化理论、参数化技术和ANSYS软件的二次开发技术，介绍了拱坝有限元可视化建模的参数化原理和实施技术，以ANSYS为平台，利用ANSYS提供的UIDL、APDL等二次开发技术，开发了具有水工特色的拱坝仿真分析系统，利用它可较方便地对复杂地基上的拱坝进行有限元建模和仿真分析。然后，研究了有限元仿真分析的基本原理及其在ANSYS软件中的具体实现。阐述了三类非线性问题，讨论了弹塑性分析的基本方程和常用的强度准则，并较详细介绍了ANSYS中有限元仿真分析的基本过程。最后
4、，对胜利水库双曲拱坝进行了有限元建模和三维非线性有限元仿真分析，计算分析了各种情况下坝体和基岩的应力位移规律，对大坝的整体安全度进行了综合评判。关键词：拱坝，有限元，仿真分析，ANSYS，除险加固ABSTRACTThemodelingandnonlinearFEMsimulationanalysisforarchdamdesignsisanimportanttopic，especiallyforthosearchdamstobebuiltinlocationsofcomplextopographicandgeologicalconditions.InthisPaper，briefsummary
5、andcontrastfortheanalyticalmethodsofarchdamwereconducted，thevisualizationandparameterizationofFEM，anditsimplementationwereinvestigated，andthesystembasedonANSYS，forthesimulationFEManalysisofarchdamwasdeveloped.And3-DnonlinearFEMsimulationanalysiswasthencarriedoutforShengLireservoirarchdam，whichisloca
6、tedinYouyangCounty，ChongqingProvinceofChina.ThevisualizationtheoryandparameterizationtechniqueforFEM，andsecondarydevelopingtechniqueforANSYSwerestudied.TheparameterizationprincipleforFEMmodelingofarchdamandtheimplementationtechniquewereintroduced.Byfullyusingofthesecondarydevelopingtechniquesprovide
7、dinANSYS，suchasUIDL，APDLetc，aFEMsimulationanalysissystemofarchdambasedonANSYSwasdeveloped，bymeansofwhicharchdamsoncomplexfoundationcanbemodeledandanalyzedconveniently.BasictheoryofnonlinearFEManalysisanditsrealizationinANSYSwerestudied，threekindsofnonlinearstructuralbehaviors，thebasicequationsofelas
8、ticandplasticproblemandstrengthcriterioncommonlyusedwerediscussed.AndthebasicprocessofFEMsimulationanalysisinANSYSwasintroducedindetail.Finally，ShengLireservoirdouble-curvaturearchdamwasmodeledand3-DFEMsimulationanalysiswasperformed，soastofindouttheintegralsafetyfactorandthestressanddisplacementpatt
9、ernsofdamanditsfoundationunderdifferentloadcombination.Keywords：archdam，finiteelement，simulationanalysis，ANSYS，reinforcementofdangerous.目录摘 要IABSTRACTII目 录III1 绪论11.1 拱坝的发展概况11.2 拱坝的结构特点21.3 拱坝的应力分析方法31.4 本文的主要内容52 基于ANSYS的拱坝有限元几何实体仿真建模62.1 有限元方法简介62.2 有限元软件ANSYS简介102.3 基于ANSYS的APDL技术特点122.4 应用APDL实
10、现拱坝几何实体的仿真建模133 拱坝仿真分析在ANSYS中的实现273.1 拱坝基于ANSYS的有限元分析流程273.2 拱坝实体模型的有限元网格划分293.3 拱坝有限元模型的加载及求解383.4 拱坝基于ANSYS后处理的成果分析384 工程应用394.1 工程概况和研究内容394.2 胜利水库拱坝仿真建模394.3 胜利水库拱坝仿真分析及结论394.4 胜利水库拱坝除险加固后运行效果395 结论及展望405.1 结论405.2 展望40参 考 文 献42附 录43A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：43B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：431绪论1.1拱坝的发展概况在水利水
11、电工程中，挡水建筑物的种类和型式是多种多样的，拱坝的水平截面为弧形拱圈，拱圈两端支承在两岸岩体上，因此，拱坝相对于其他坝型更加安全。加之拱坝的薄壳结构，极大地节省了所用混凝土方量，更加经济。所以，拱坝在国内外有很大的发展。追溯拱坝的发展历程，据资料查证，拱坝型式最初是由罗马人在意大利邻近的Tresina河上于1611年修建了第一座坝高为5m的砌石拱坝。在罗马时代法国也修建了一座坝高为12m的鲍姆拱坝，是一个圆筒形拱坝，由两层同心圬工墙中间填塞粘土构成，随后修建的是在公元550年前后土耳其的德拉拱坝，上述两座拱坝的修建，均可说明在那时人们已懂得面对水流，拱型结构具有更理想的抵抗力。第一个采用应力
12、分析方法并假定坝体是由独立拱圈组成的，是1854年建成的，坝高43m的法国左拉拱坝。在当时人们已经发现，为使拱坝的体积减小到最小，拱坝的曲率半径就要从坝顶到坝底逐渐减小。当时的拱坝虽不高，但长高比已达到了5.6。20世纪初，美国修建拱坝越来越高，如l909年建成的帕斯芬德拱坝高65m，1910年建成的巴菲罗比尔坝高99m，1913年开始修建的斯波丁坝高84m，这三座拱坝的应力分析，都考虑了中间悬臂粱的作用计算拱圈和粱的变位一致，仅仅把拱粱与基础当作刚性接合。l914年建成坝高51m的美国萨门溪拱坝是第一座采用变半径设计的，使得坝体断面呈曲线形状，为了解决混凝土收缩问题。总之，此时国外在拱坝修建
13、和设计理论上都已有所发展，数量虽不算多，坝高在15m以上的有40余座。到40年代拱坝在水利水电工程中才开始有较大发展，坝型以重力拱坝为主，设计也开始采用试荷载法。这种坝型和设计方法是瑞士最先提出的，并于1920年建成蒙特萨文斯拱坝。该坝不但坝体弯曲，而且从拱冠到拱端逐渐加厚，不仅考虑了拱冠粱，而且同时应用了几个悬臂梁的概念。19251935年的10年间，美国在这一基础上又提出考虑切向变位与水平扭转变的新概念，这就是试荷载法。在这个时期，开始对拱坝进行结构模型试验，以便验证计算和观测成果。第一座超过200m坝高的拱坝是美国于1936年建成的鲍尔德拱坝，而第一座双曲拱坝则是1939年建成的意大利奥
14、西格利塔拱坝坝高768m，而且是一座双曲薄拱坝。大量兴建拱坝是在20世纪40年代以后，尤其西欧一些国家对拱坝极感兴趣，特别是双曲拱坝。即使在地形、地质不利的条件下也修建拱坝。如意大利在1952至l960年期间，建成和正在施工的拱坝有90多座。就目前拱坝的发展从数量上说，自1900年至1960年的60年间，坝高在50m以上的拱坝，共建成260座左右。目前，在亚洲，非洲，拉丁美洲一些发展中国家，也修建或正在修建不少薄拱坝，较高的约有20座。据不完全统计，国外修建(包括建成和施工的)坝高在100m以上的大坝共有391座，其中拱坝为125座，占33。我国的拱坝建设，也有悠久的历史，据记载1927年我国
15、就修建过一座砌石拱坝。拱坝真正在我国发展是在1949年以后，截止到1988年底的不完全统计，已建坝高15m以上的各种坝总数已达800座以上，约占全世界以建拱坝总数的1/4强，截止到2011年底的不完全统计，已建坝高50m以上的各种拱坝总数已达40座以上。我国的锦屏一级双曲拱坝，高305m，是目前世界上最高的拱坝。1.2拱坝的结构特点拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。和重力坝相比，在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持，主要是利用拱端基岩的反作用力来支承。拱圈截面上主要承受轴向力，应力分布较均匀，可充分利用筑坝材料的强度。因此，是一种经济性和安全性都很好的坝型。拱坝是一个变厚度、变曲率而边界条件又很复杂的空间壳体结构。按其坝体曲率可分为单曲拱坝和双曲拱坝。单曲拱坝为只在水平断面内呈弧形，铅直断面不弯曲的拱坝。双曲拱坝在水平和铅直断面内都有曲率。按其水平拱的型式分类主要有圆拱、二心拱、三心拱、抛物线拱、椭圆拱、对数螺旋拱及混合曲线拱等。拱坝的工作特点可以看成是由若干水平拱圈和竖直悬臂梁组成的空间网格结构，外部水压力由拱、梁共同承担，大部分荷载通过拱圈传向两岸坝肩，小部分通过悬臂梁传到基础拱坝主要拱与梁的共同作用而稳定下来，稳定性主要依靠两岸拱端的反力作用，因而对拱端地基的要求很高；有利于发挥砼的
