王秀麗,李安民

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050; 2.西部土木工程防震減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅蘭州 730050)

基于ANSYS泥石流攔擋壩設(shè)計軟件的開發(fā)及應(yīng)用

王秀麗1,2,李安民1,2

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050; 2.西部土木工程防震減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅蘭州 730050)

為提高泥石流攔擋壩的設(shè)計水平,基于ANSYS二次開發(fā)技術(shù)編寫了泥石流攔擋壩設(shè)計軟件。軟件使用UIDL設(shè)計菜單系統(tǒng),Tcl/Tk繪制輸入界面和APDL編寫核心算法。軟件可完成正常使用條件、沖擊條件和地震條件下的壩體抗滑移、抗傾覆以及地基承載力的模擬。通過算例對比分析證明了軟件的適用性,計算結(jié)果精確可靠,提高了工程師的工作效率,具有非常好的應(yīng)用前景。

泥石流攔擋壩;ANSYS二次開發(fā);APDL;UIDL;Tcl/Tk

泥石流是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害,2010年8月7日甘肅省舟曲縣爆發(fā)特大泥石流,災(zāi)害造成1 501人死亡,264人失蹤,直接經(jīng)濟損失超過10億元[1]。為避免悲劇的重演,對泥石流及其防治進行了大量的研究,其中包括重要的泥石流防治結(jié)構(gòu)泥石流攔擋壩。有學(xué)者對泥石流防治結(jié)構(gòu)進行了研究[2],李珂[3]用VB和VF開發(fā)了泥石流防治結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件,其中包含泥石流攔渣壩的模塊。

以下對泥石流軟件開發(fā)模式進行了新的探索,用二次開發(fā)技術(shù)編寫泥石流攔擋壩設(shè)計軟件。軟件計算結(jié)果精確可靠,能大大提高設(shè)計效率且便于普通用戶修改,具有適用性強的特點。并對其他工程有借鑒意義。

1 開發(fā)工具

ANSYS14.0提供的UIDL和APDL。ANSYS用戶界面設(shè)計語言(UIDL,user interface design language)使用戶可以自定義ANSYS的圖形用戶界面(GUI),包括定義GUI中的菜單、對話框和幫助文件[4]。ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言(APDL,ansys parametric design language)是一種描述性語言,可將所有的ANSYS命令作為它的一部分使用。其具有如下特點:重復(fù)執(zhí)行一條命令、宏程序、選擇結(jié)構(gòu)If-then-else、循環(huán)結(jié)構(gòu)do-loop、標(biāo)量、矢量以及矩陣運算等[5]。

Tcl/Tk:工具命令語言(Tcl,tool command language)設(shè)計的初衷是將其嵌入其他程序,這與微軟的VBA(visual basic for applications)類似,就像使用VBA在一個程序中調(diào)用微軟Word、Excel以及Power Point函數(shù)并與之通信一樣,用戶可以使用Tcl/Tk在一個程序中調(diào)用其他程序并與之通信。Tk是Tcl的延伸,提供創(chuàng)建和使用GUI的組件,如按鈕、文本框[6,7]。

MATLAB是一種高級技術(shù)計算語言和開發(fā)工具,可以迅速地開發(fā)分析算法和應(yīng)用程序[8]。

APDL和UIDL不像其他語言提供了開發(fā)環(huán)境,所以借助了第三方的文本編輯器Ultraedit,它具有強大的功能,提供了界面友好的編程工具,支持語法高亮、代碼折疊、宏,以及一系列極其有用的功能。

對于Tcl語言ActiveState Software Inc.提供了開發(fā)工具:Tcl Dev Kit(TDK)。它是Tcl程序員基本的編程工具,使程序的創(chuàng)建、開發(fā)和配置變得容易。它集成多種工具用來簡化查找和修改錯誤、編寫復(fù)雜代碼,以及優(yōu)化算法的各個環(huán)節(jié)。

2 計算理論及實現(xiàn)方法

傳統(tǒng)有限元求解過程為輸入?yún)?shù)建立模型,劃分網(wǎng)格,施加約束,并根據(jù)不同工況加載,求解,查看結(jié)果,判斷是否滿足要求。

本程序亦按上述過程開發(fā),但用戶卻感受不到上述過程,對用戶而言只需輸入?yún)?shù)即可得到結(jié)果。

按照規(guī)范[9]最終需要的結(jié)果為:穩(wěn)定性系數(shù)和地基承載力,前者包括基本條件下、沖擊條件下和地震條件下的抗滑移穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù),后者包括最大最小地基應(yīng)力[9,10]。計算方法如下。

2.1 壩體穩(wěn)定性驗算

(1)壩體抗滑移穩(wěn)定性系數(shù) 泥石流攔擋壩的抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)K1計算方法為

其中:f為壩底摩擦系數(shù)為垂直方向作用力總和(k N)為水平方向作用力總和(k N)。

定義兩個數(shù)組,兩個數(shù)組中的各元素分別用來表示壩底各節(jié)點的豎向和水平反力,提取壩底各個節(jié)點的豎向和水平約束反力,將其放入數(shù)組中,將兩個數(shù)組中的元素分別求和,即可得到總的豎向和水平向約束反力計算并輸出結(jié)果。

(2)壩體抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù) 泥石流攔擋壩的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K2計算方法為

移走底部約束,僅約束角部。首先計算抗傾覆力矩,僅在壩體上作用產(chǎn)生抗傾覆力矩的荷載,如壩體自重、泥石流堆積物豎向壓力以及背水面土壓力,進行求解得到傾然后刪除之前的荷載,僅施加產(chǎn)生傾覆力矩的荷載,如土壓力、沖擊力以及地震荷載,計算求解得到最后計算抗傾覆穩(wěn)定系數(shù),輸出結(jié)果。

2.2 地基承載力驗算

地基承載力的控制范圍為

其中:σmax為地基最大應(yīng)力(kPa);σmin為最小地基應(yīng)力(k Pa);[σ]為修正后的地基承載力(k Pa)。

提取壩底背水面和迎水面角節(jié)點的應(yīng)力σmax和σmin,用嵌套邏輯語句的判斷語句進行判斷,輸出結(jié)果。

3 軟件使用及結(jié)果對比

軟件按照主菜單從上往下依次執(zhí)行即可得到計算結(jié)果,用UIDL制作的主菜單,如圖1所示。

圖1 主菜單Fig.1 Main menu

第一步在圖2所示的界面輸入相關(guān)參數(shù)。

圖2 參數(shù)輸入界面Fig.2 Parameter input interface

第二步點擊“建立模型”菜單項,程序自動按所輸參數(shù)建立模型并劃分網(wǎng)格,施加約束和荷載,如圖3所示。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

第三步點擊“計算”菜單項進行計算。

第四步,點擊“輸出結(jié)果”菜單項,顯示計算結(jié)果,按照文獻[9]中的2.2.2條判斷是否滿足要求,如采用其他規(guī)范,請自行判斷是否滿足要求,如圖4所示。

圖4 程序的結(jié)果輸出Fig.4 Results outputs of the program

程序還可以清楚的看到壩體的應(yīng)力和位移云圖,如圖5所示。

圖5 位移和馮·米塞斯應(yīng)力云圖Fig.5 Displacements and von mises stress cloud chart

地基承載力的計算為

MATLAB的壩體穩(wěn)定系數(shù)計算式為式(1)～式(2)的展開,如表1所列。

表1 程序的計算方法Table 1 Calculation method of the Program

表1中G1為壩體重(k N);G2為壩體上淤積物重(k N);E為土壓力(k N);P為被動土壓力(k N);E′為地震情況下的土壓力(k N);GZ為綜合影響系數(shù),取1/4。

MATLAB二次開發(fā)軟件的程序界面如圖6所示。

圖6 軟件的界面Fig.6 Software interface

4 算例分析

應(yīng)用軟件計算甘肅省宕昌縣大地溝泥石流防治工程[11]中的18座壩,代表性壩體尺寸如表2所列。

表2 攔擋壩尺寸Table 2 Size of the blocking dam

其他數(shù)據(jù):安全等級為3或4;抗震設(shè)防烈度為8度;壩底摩擦系數(shù)0.5;漿砌塊石、泥石流淤積物以及泥石流重度分別為:22.56 k N/m3、18.64 k N/m3和16.7 k N/m3;泥石流體內(nèi)摩擦角為24°;地基承載力為400 kPa;沖擊力為26.15～39.03 k N;沖擊力作用點距壩頂距離為1 m。

每個壩算得6個穩(wěn)定性系數(shù)和最大最小基底壓力,結(jié)果對比如表3所列。

表3 結(jié)果對比Table 3 Comparison of the results

有限元解和解析解在安全系數(shù)方面吻合的非常好,對于基底應(yīng)力,由于有限元解在壩體的壩趾和壩踵有應(yīng)力集中,所以比解析解略大,軟件對其乘以了小于1的系數(shù)加以處理。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)過大量試算及對比分析,證明了軟件適用于傳統(tǒng)重力式泥石流攔擋壩和新型格賓泥石流攔擋壩的設(shè)計。

(2)軟件計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠,簡化了設(shè)計過程,各種云圖使工程師們更直觀地看到壩體的各種設(shè)計參數(shù)。

(3)軟件有很好的應(yīng)用前景,值得推廣應(yīng)用,借助ANSYS的強大功能經(jīng)過簡單改進,可擴展更多壩體形式,并對其他工程有借鑒意義。

[1] 黃江成,歐國強,柳金峰.白龍江干流泥石流分布特征及危險度評價[J].人民黃河,2011,33(6):105-107.

[2] 中國水力發(fā)電工程學(xué)會.現(xiàn)代水利水電工程抗震防災(zāi)研究與進展[M].成都:中國水利水電出版社,2009.

[3] 李珂.泥石流防治結(jié)構(gòu)計算軟件開發(fā)與應(yīng)用[D].重慶:重慶交通大學(xué),2008.

[4] Ansysinc.UIDL Programmer＇s Guide[Z].Canonsburg,PA, 2005.

[5] Ansysinc.ANSYS Parametric Design Language Guide[Z].Canonsburg,PA,2013.

[6] Ousterhout J K,Jones K.Tcl and the Tk Toolkit[M].Boston: Pearson Education,2009.

[7] Wall K.Tcl and Tk Programming for the Absolute Beginner [M].Boston:Course Technology,2008.

[8] Attaways.Matlab:A Practical Introduction to Programming and Problem Solving[M].Oxford:Butterworth-Heinemann,2013.

[9] 中國地質(zhì)調(diào)查局.DZ/T023-2004泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[10] 吳瑋江,馮樂濤.重力式泥石流攔擋壩穩(wěn)定性計算[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2012,24(3):56-59.

[11] 劉興榮,王生新,姚正學(xué),等.宕昌縣大地溝泥石流特征及其防治對策[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2011,23(2):66-70.

Development and Application of ANSYS Based Debris Flow Blocking Dam Design Software

Wang Xiuli1,2,Li Anmin1,2
(1.School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China; 2.Western Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education,Lanzhou730050,China)

In order to improve the design level of debris flow blocking dam,the ANSYS based secondary development technology has prepared the debris flow blocking dam design software.It uses UIDL to design menu system,and uses Tcl/Tk to draw input interface,and uses APDL to prepare core algorithm.The software can complete the dam body anti-sliding,antioverturning and bearing capacity of foundation soil under the normal using circumstances,shocking conditions and seismic conditions.Through the calculation examples to make comparison analysis so as to demonstrate the applicability of the software,and the software calculation result is accurate and reliable.This program has improved the efficiency of engineers with promising application prospects.

Debris flow blocking dam;ANSYS secondary development;APDL;UIDL;Tcl/Tk

TP391;TU359

:A

:1004-0366(2016)05-0056-05

2015-03-23;

:2015-06-17.

國家科技支撐計劃(2011BAK12B07);國家自然科學(xué)基金項目(51278236).

王秀麗(1963-),女,遼寧沈陽人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為空間結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu).E-mail:wangxl＠lut.cn.

Wang Xiuli,Li Anmin.Development and Application of ANSYS Based Debris Flow Blocking Dam Design Software[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):56-60.[王秀麗,李安民.基于ANSYS泥石流攔擋壩設(shè)計軟件的開發(fā)及應(yīng)用[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(5):56-60.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.014.