牟高翔,陳 崗,蔡華龍

(1.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院,四川 成都 610072;2.二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司,四川 成都 610061)

1 問題的提出

隨著電算技術(shù)的發(fā)展,有限單元法在拱壩的應(yīng)力分析上得到廣泛的應(yīng)用。該方法不受結(jié)構(gòu)力學(xué)假定的限制,不但可以比較合理地考慮拱壩的整體作用,還能夠進行各種復(fù)雜條件下的拱壩力學(xué)分析,解決了拱梁分載法中較難處理的各種問題。

創(chuàng)建有限單元模型是有限單元計算分析中不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)。有限單元模型創(chuàng)建的一般過程是:幾何模型(點、線、面、體)→單元模型(節(jié)點、單元)。此過程操作極其繁瑣,占整個有限元計算工作量的 70%以上,而且調(diào)整不便(計算模型如有調(diào)整,整個過程必須重新來過)。對拱壩體形優(yōu)化而言,針對不同的體形方案,需要建立不同的模型。上述過程建模速度緩慢,而且相同部位的單元網(wǎng)格形狀和幾何尺寸的一致性難以保證,而單元網(wǎng)格的劃分與計算結(jié)果密切相關(guān)。因此,需要采取另外一種建模方法,一方面能夠快速地將優(yōu)化調(diào)整的拱壩體形轉(zhuǎn)化成可以用于計算的單元網(wǎng)格;另一方面有一套各種模型都遵循的網(wǎng)格劃分原則,以確保相同部位單元網(wǎng)格形狀和幾何尺寸一致。

2 ANSYS有限元軟件的建模技術(shù)①《ANSYS中文學(xué)習(xí)指南》。

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件,因其功能強大、界面友好,因而在工程技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。ANSYS有限元分析軟件的有限元模型的建立可分為直接法和間接法兩種。直接法為人為控制直接生成計算分析所需要的節(jié)點和網(wǎng)格單元;間接法是指由實體模型到有限元網(wǎng)格的建模方法。與一般的 CAD軟件一樣,間接法通過點、線、面、體先建立分析對象的實體模型,再進行實體網(wǎng)格劃分,以完成有限元模型的建立。后一種方法因其過程直觀,得到了大量應(yīng)用,而前一種方法,無疑使通過編制程序控制網(wǎng)格的劃分,直接形成 ANSYS可以讀取的有限元模型成為可能。

在 ANSYS軟件中,允許將建模過程中需要的所有命令以命令流文件的形式快速導(dǎo)入。建模所需要的命令流如下:

/PREP7 (進入前處理器。此為說明,實際流文件不包含,以下同。)

ET,1,PLANE45 (定義 1#單元為 8節(jié)點六面體單元)

N,num,x1,y1,z1(定義節(jié)點,“num”為節(jié)點序號;“x1,y1,z1”為實際節(jié)點坐標)

FLST,2,8,1 (以下 10行,通過 8個節(jié)點形成一個單元)

FITEM,2,num1

……

FITEM,2,num8

E,P51X

因此只要計算出模型的節(jié)點坐標,定義好節(jié)點-單元形成規(guī)則,就不難以命令流的形式將模型導(dǎo)入 ANSYS中。

3 建模程序的主要功能及流程

3.1 程序的主要功能

根據(jù)具體拱壩工程特點和拱壩優(yōu)化過程的實際需要,建模程序的主要功能如下:

(1)根據(jù)拱壩體形參數(shù)文件,生成拱壩拱梁交點坐標,通過設(shè)置沿厚度劃分單元層數(shù)變量和近基礎(chǔ)壩體的薄層單元厚度等參數(shù)生成壩體部分的有限單元模型[2];

(2)通過計算域上下游、左右岸及垂直向的邊界參數(shù)和單元尺寸縮放因子,生成拱壩基礎(chǔ)單元網(wǎng)格(不帶地形);

(3)通過讀入地形數(shù)據(jù)和拱肩槽數(shù)據(jù)生成拱肩槽單元及地面單元;

(4)通過定義層間、層內(nèi)錯動帶的相關(guān)參數(shù),生成軟弱結(jié)構(gòu)面單元。

本程序生成的壩體及基礎(chǔ)單元均為 8節(jié)點 6面體等參元。

3.2 程序的編制流程

為了保證程序運算的精確性和便捷性,筆者利用 Fortran語言進行程序編寫。整個程序編寫包括以下幾個流程:生成壩體單元 →生成基礎(chǔ)單元(不含河谷地形)→生成河谷地形單元 →生成拱壩三維有限元模型生成命令流文件。編制流程見圖1。

圖1 有限元網(wǎng)格自動剖分程序流程

4 應(yīng)用實例

現(xiàn)以某拱壩為例,說明建模程序工作過程。

4.1 生成壩體單元

通過拱壩體形參數(shù)生成壩體上、下游面的拱梁交點坐標,并以此作為壩體節(jié)點信息和單元信息計算的輸入數(shù)據(jù)。壩體單元均采用 8節(jié)點六面體等參數(shù)單元,周邊采用三棱柱體單元向基礎(chǔ)過渡。為便于與基礎(chǔ)錯動帶出露高程協(xié)調(diào),在壩體周邊相應(yīng)高程劃出單元邊界。生成的壩體網(wǎng)格見圖2。

壩體及基礎(chǔ)部位設(shè)置薄層單元(也為六面體等參數(shù)單元),壩體單元沿厚度方向劃分層數(shù)和薄層單元厚度利用輸入?yún)?shù)進行控制[2]。

圖2 壩體有限元網(wǎng)格

4.2 生成基礎(chǔ)單元

沿壩體周邊向上游、下游、拱端以里、河床以下以及壩頂以上進行單元擴展,生成拱壩基礎(chǔ)單元網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分遵循越接近壩基部位網(wǎng)格單元尺寸越小、反之越大的原則。該工程壩址地質(zhì)構(gòu)造主要為大致平行于巖層面的層間、層內(nèi)錯動帶,巖層走向,左岸總體為 N20°～40°W/NE∠4°～ 7°,右岸 N 15°～30°E/SE∠3°～5°。從方便建?？紤],將結(jié)構(gòu)面均概化為水平產(chǎn)狀。結(jié)構(gòu)面單元在接近基礎(chǔ)部位,采用三棱柱體單元與壩基單元協(xié)調(diào)。壩體單元與基礎(chǔ)單元的協(xié)調(diào)見圖3,生成的左岸基礎(chǔ)單元網(wǎng)格見圖4。

4.3 生成河谷地形單元

利用拱圈平切圖,將包括拱肩開挖槽在內(nèi)的地形表面數(shù)據(jù)化,再利用線性插值方法生成地表的單元邊界。生成的拱間槽和河谷地形單元網(wǎng)格見圖5和圖 6。

圖3 基礎(chǔ)單元與壩體單元

圖4 左岸基礎(chǔ)單元

圖5 左岸拱間槽單元

圖6 河谷地形單元

4.4 組裝生成整體模型

將壩體、基礎(chǔ)、表面地形拱肩槽的節(jié)點及單元組裝在一起,形成大壩整體模型(見圖7)。在讀入模型材料參數(shù)和荷載文件以后即能迅速地計算分析。

圖7 拱壩整體模型

5 結(jié) 語

利用 ANSYS軟件中命令流文件這一外部接口形式,編寫的三維建模程序主要有以下特點:

(1)通過程序?qū)w形參數(shù)的轉(zhuǎn)換可生成直接用于 ANSYS計算的三維有限元網(wǎng)格模型;

(2)地形數(shù)據(jù)和材料參數(shù)錄入一次性完成,最大程度避免了相同工程不同體形計算時的重復(fù)性工作;

(3)在程序的統(tǒng)一控制下,相同部位的單元網(wǎng)格形狀和幾何尺寸達到最大程度的一致性,從而確保了不同體形之間計算成果橫向?qū)Ρ鹊木刃枰?

(4)可以將壩體單元和基礎(chǔ)單元有控制地細分以滿足不同計算精度的需要。

[1]牟高翔.薄層單元在拱壩有限元計算中的應(yīng)用[J].水電站設(shè)計,2005,21(2):8-13,86.