唐 蘭,侯 波

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

對(duì)水電站大壩工程的計(jì)算,有限元軟件已經(jīng)成為必不可少的設(shè)計(jì)工具,尤其是近年來,高壩的不斷出現(xiàn),有限元計(jì)算已經(jīng)成為必需的計(jì)算分析方法。目前,商用的大型有限元軟件很多,如 ANSYS、MARC、PATRAN等,但各有特點(diǎn)。其中,ANSYS有限元軟件是一個(gè)多用途的有限元分析程序,可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題,得到廣泛應(yīng)用。然而,有限元的模型建立一直都是一項(xiàng)耗時(shí)、耗力的工作,若以 ANSYS軟件自身的前處理模塊進(jìn)行,不同的工程就要進(jìn)行不同的實(shí)體建立、單元剖分,且單元網(wǎng)格密度往往不能按照我們的計(jì)算要求達(dá)到較為滿意的程度,因此迫切需要編制 ANSYS軟件的大壩前處理程序來自動(dòng)完成這項(xiàng)工作,減少勞動(dòng)工作量,提高工作效率。本文提出利用編程語言如 Fortran、VB等編制生成滿足設(shè)計(jì)要求的三維大壩 ANSYS有限元模型的方法,根據(jù)工程的特點(diǎn)自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格、賦予單元材料屬性和模型荷載的 ANSYS命令流文件。本文結(jié)合在實(shí)際工程中的初步應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行拋磚引玉,與同行進(jìn)行技術(shù)交流。

2 開發(fā)前處理程序的基本思路

ANSYS有限元模型的建立有兩種方法:一是先建立點(diǎn)、線、面、體,然后進(jìn)行單元剖分、局部調(diào)整單元密度。二是直接生成節(jié)點(diǎn)、單元信息。前一種方法,較為繁瑣,其單元不可控的因素較多。因此,本文直接采用第二種方法生成有限元網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)、單元信息,并對(duì)其編號(hào),使之受控,進(jìn)行材料參數(shù)賦值和荷載施加,生成單元疏密和形狀滿足大壩計(jì)算要求的三維模型及材料賦值、荷載施加命令流文件。

3 基本步驟

根據(jù)工程特點(diǎn)和計(jì)算的側(cè)重點(diǎn),采用分區(qū)的方法對(duì)模型單元進(jìn)行分區(qū)規(guī)劃,采用先節(jié)點(diǎn)后單元的方式,先生成重要的和主要的區(qū)域單元,再根據(jù)其單元分布特點(diǎn)進(jìn)行次要區(qū)域的單元生成?；静襟E為:

(1)確立原點(diǎn),建立三維整體模型的 XYZ坐標(biāo)系,確立有限元分析區(qū)域。工程計(jì)算中,常按壩高來確定三維有限元網(wǎng)格范圍,一般左、右岸各取 1.5倍壩高;上游 1倍、下游 2倍壩高;壩頂以上 0.5倍、壩基以下 1倍壩高。根據(jù)工程的重要性、特點(diǎn)和計(jì)算要求可進(jìn)行范圍的調(diào)整。

(2)大壩壩體節(jié)點(diǎn)、單元的建立。大壩是研究的對(duì)象,因此大壩單元是最主要和最基礎(chǔ)的單元并作為其他區(qū)域單元建立的基準(zhǔn)。首先,定義單元類型號(hào)和材料號(hào)。其次確定單元大小,在高程方向,結(jié)合兩岸地質(zhì)特點(diǎn)及要分析的水荷載確定分層數(shù);橫河方向和順河方向,考慮大壩單元大小均勻變化的原則及大壩的厚度確定分層數(shù)。最后,利用上、下游壩面控制點(diǎn)坐標(biāo)作為前處理程序的輸入文件,生成大壩節(jié)點(diǎn)命令流文件和單元命令流文件。

(3)建基面兩岸和河床范圍節(jié)點(diǎn)、單元的建立。建基面兩岸和河床范圍是大壩基礎(chǔ)受力的主要區(qū)域,因此,作為第二個(gè)單元生成區(qū)域。建基面兩岸單元以大壩建基面單元為參考,向兩岸和河床以下放射性地進(jìn)行單元?jiǎng)澐趾途幪?hào)。

(4)大壩下游基礎(chǔ)單元的建立。在滿足計(jì)算精度的條件下,為減少計(jì)算時(shí)間,網(wǎng)格疏密考慮單元尺寸沿順河向可從建基面開始向下游逐漸變大,設(shè)置比例因子來自動(dòng)調(diào)節(jié)單元的漸變,生成相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)、單元命令流文件。

(5)其他基礎(chǔ)單元的建立。在模型模擬的范圍內(nèi),其他區(qū)域因?qū)Υ髩蔚膽?yīng)力、位移影響較小,可根據(jù)整體模型單元的情況建立較大單元。

(6)按照 ANSYS命令流格式,結(jié)合單元編碼,生成節(jié)點(diǎn)水荷載、溫度荷載等命令流文件。

(7)在 ANSYS命令行中輸入“/input,文件路徑及文件名”,逐步導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)文件、單元文件、材料文件和荷載文件生成三維有限元計(jì)算模型。

4 實(shí)例分析

為了更好地闡明上述的建模思路,下面采用一個(gè)大壩工程的三維有限元整體模型前處理的例子加以說明。拱壩是所有壩型中體形較為復(fù)雜的,其他壩型可參考。

某水電站拱壩壩高 270m,上游計(jì)算水位高程為2520.0m,壩體混凝土的線彈性模量為 2.40×104MPa,混凝土泊松比為 0.167,容重 2.4t/m3,線脹系數(shù) 1×10-5/°C?，F(xiàn)對(duì)該拱壩運(yùn)用 ANSYS有限元計(jì)算做前處理。

(1)建立坐標(biāo)原點(diǎn),確定計(jì)算范圍。

(2)生成拱壩節(jié)點(diǎn)、單元及材料參數(shù)賦值。在常規(guī)拱壩靜力、動(dòng)力分析計(jì)算中,精度能滿足設(shè)計(jì)要求的 8節(jié)點(diǎn)六面體單元使用最多,因此,采用六面體單元進(jìn)行大壩三維 ANSYS有限元模型建立。對(duì)于拱壩,在線彈性假定之下,壩體和壩基的接觸部位,由于材料參數(shù)和模型幾何參數(shù)的不連續(xù),不可避免地會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在計(jì)算分析中,采用薄層單元可減小其影響,其厚度一般不宜大于壩高的1/20。本例考慮薄層單元列入大壩單元?jiǎng)澐謱懭朊盍魑募?/p>

該大壩單元沿高程方向分 9層,順河向分 4層,薄層單元按 1/200壩高考慮,生成的模型節(jié)點(diǎn)和單元見圖1。

節(jié)點(diǎn)、單元命令流文件典型內(nèi)容如下:

①大壩節(jié)點(diǎn)文件 DamNode.txt:

②大壩單元文件 DamElement.txt:

(3)建基面兩岸和河床基礎(chǔ)范圍節(jié)點(diǎn)、單元的建立。

不少有限元計(jì)算結(jié)果表明,在線彈性分析中,拱壩壩基采用綜合變形模量的方法計(jì)算得到的拱壩位移、應(yīng)力結(jié)果和實(shí)際模擬地層的計(jì)算結(jié)果相差較小。本文對(duì)河床兩岸不同高程采用綜合變形模量的方法建立有限元模型。對(duì)于非線性計(jì)算,近壩區(qū)的不利地質(zhì)條件可能影響大壩位移、應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果需單獨(dú)模擬,可參考本文的思路和方法合理規(guī)劃單元?jiǎng)澐帧?/p>

圖1 大壩節(jié)點(diǎn)和單元

圖2 大壩和兩岸基礎(chǔ)的節(jié)點(diǎn)、單元

圖3 大壩、下游和河床壩基節(jié)點(diǎn)、單元

圖4 整體模型的節(jié)點(diǎn)和單元

以大壩邊界單元大小為參考向兩岸和河床以下放射,采用逐漸變大的方式,比例因子為 1.1,形成的節(jié)點(diǎn)和單元見圖2。命令流文件典型內(nèi)容同大壩節(jié)點(diǎn)、單元文件。

(4)大壩下游基礎(chǔ)單元的建立。采用單元逐漸放大的方式,比例因子為 1.3,形成的節(jié)點(diǎn)和單元見圖3。命令流文件典型內(nèi)容同大壩節(jié)點(diǎn)、單元文件。

(5)其他基礎(chǔ)單元的建立。同樣采用單元逐漸放大的方式。因其重要性最低,比例因子大于上面的值,采用 1.5,最終形成的整體模型的節(jié)點(diǎn)和單元見圖4。

(6)根據(jù)規(guī)劃好的坐標(biāo)系,節(jié)點(diǎn)、單元編號(hào)及材料編號(hào),自動(dòng)生成材料賦值、約束施加、荷載施加命令流文件,施加后的三維模型見圖5。典型內(nèi)容如下:

①材料賦值文件 MatValue.txt

et,1,45!大壩單元類型為 solid 45

uimp,100,ex,dens,alpx,24000000000.00,2400.00,0.00001 !大壩彈模、容重、線膨脹系數(shù)

uimp,100,nuxy,,,0.167 !大壩泊松比賦值

......!其他基礎(chǔ)單元定義和材料賦值

②約束施加文件 RestraintJoint.txt

nsel,s,loc,x,0

nsel,a,loc,x,1580.00

d,all,ux,0!邊界上 X方向法向約束

......!邊界上 Y,Z方向同樣法向約束定義

③節(jié)點(diǎn)荷載 Load.txt

bf,1,temp,-2.78 !大壩節(jié)點(diǎn) 1溫度荷載

bf,2,temp,-2.94 !大壩節(jié)點(diǎn) 2溫度荷載

......

圖5 材料賦值、施加約束和荷載后的有限元模型

圖6 典型等值線

esel,s,elem,, 1,108!單元選擇

sfgrad,p res,,z,2520.00,-9810.00!水荷載施加

sfe,all,1,pres

(7)計(jì)算成果檢查。根據(jù)已經(jīng)建好的三維拱壩模型進(jìn)行線彈性有限元計(jì)算,典型的位移、應(yīng)力等值線見圖6。,經(jīng)與拱梁分載法計(jì)算成果比較,其分布規(guī)律和拱梁分載法吻合良好,極值差別不大,有限元計(jì)算結(jié)果可靠。

5 結(jié) 語

根據(jù) ANSYS有限元軟件的內(nèi)在規(guī)定,用編程語言編制大壩ANSYS三維模型自動(dòng)建立的方法和思路,能大幅節(jié)約建模時(shí)間,提高工作效率。

(1)直接進(jìn)行節(jié)點(diǎn)、單元建立的三維模型建立方法,節(jié)點(diǎn)、單元可根據(jù)需要隨意調(diào)整,且不易發(fā)生單元奇異,有利于后面的計(jì)算收斂,減少奇異單元檢查工作。

(2)合理的單元規(guī)劃很重要,根據(jù)建筑物的重要性和受力特點(diǎn)進(jìn)行單元?jiǎng)澐址纸M,并以每一組單元的交界作為單元控制面進(jìn)行不同組單元的銜接,單元的疏密能滿足計(jì)算的要求,單元編號(hào)有序,更易控制。

(3)前處理采用生成 ANSYS命令流文件的方式進(jìn)行模型材料的賦值、約束及荷載的施加,方便、準(zhǔn)確,且便于修改。