李歡歡

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

崩塌滾石災(zāi)害是我國山區(qū)常見的一種自然地質(zhì)災(zāi)害。在我國西部地區(qū)，公路、橋梁、隧道、電力構(gòu)筑物等大多依山而建，落石對其構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。落石沖擊是一個(gè)動(dòng)力接觸的碰撞問題，動(dòng)力接觸的碰撞問題在許多技術(shù)領(lǐng)域既十分重要又難于求解，到目前為止，研究者尚未建立通用的分析模型。本文根據(jù)水電站出線樓結(jié)構(gòu)屋面板的防護(hù)需求，通過ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬，重點(diǎn)介紹了計(jì)算模型的建立步驟和相關(guān)細(xì)部設(shè)定，以及根據(jù)具體研究情況選擇合適的設(shè)置參數(shù)，最終完成落石沖擊下鋼筋混凝土板有限元分析模型的建立。

1 背景工程介紹

位于山腳下的黃河上游某大型水電站出線樓，其結(jié)構(gòu)屋面板有防護(hù)需求。具體工程情況見圖1。

圖1 工程情況圖

由于水電站出線樓內(nèi)都是重要的電力設(shè)備，一旦受損或倒塌會(huì)造成非常嚴(yán)重的影響。水電站必須建在有山有水的地方，水電站廠房出線樓大都建在山腳下。這樣的地理環(huán)境決定了山頂落石對屋面板的沖擊是出線樓受損或倒塌不容忽視的因素。若落石砸穿屋面板、擊中電力設(shè)備，將造成輸電中斷，因突然甩負(fù)荷將會(huì)給機(jī)組運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅，給電網(wǎng)穩(wěn)定帶來沖擊，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而且即便屋面板沒有被落石砸穿，由落石造成的劇烈振動(dòng)引起跳閘也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電力事故。因此，防止落石危害，提高出線樓屋面板抗落石沖擊能力，減小落石對屋面板的沖擊效應(yīng)將成為屋面防護(hù)工程必須盡快解決的問題。為了保證出線樓內(nèi)設(shè)施和人員的安全，必須對建筑物的屋面做加固和緩沖防護(hù)處理。本文借鑒各行各業(yè)已有的緩沖防護(hù)措施，就各種措施下屋面板抗落石沖擊緩沖效果作有限元數(shù)值仿真模擬及簡單的試驗(yàn)研究[1]。

2 問題描述

本文中屋面板緩沖防護(hù)有限元仿真分析模型重點(diǎn)研究加緩沖材料后屋面鋼筋混凝土板受力變形的變化情況。圖2為簡化之后屋面板落石緩沖防護(hù)結(jié)構(gòu)的剖面尺寸圖。假設(shè)落石從不同高度沖擊加有一定厚度不同緩沖材料的屋面板簡化結(jié)構(gòu)，分析落石從同一高度下落時(shí)不同緩沖材料的緩沖效果，以及落石不同下落高度下同一緩沖材料的緩沖效果。為了簡化數(shù)值模擬運(yùn)算過程，將落石從不同高度下落簡化為落石與屋面板碰撞前落石本身具有不同的初速度。這樣就省掉了對落石下落過程的模擬。落石防護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征一般會(huì)受到落石沖擊速度大小、沖擊角度不同、以及緩沖材料性質(zhì)等諸多因素的影響。在本文中主要考慮不同沖擊速度和不同緩沖材料的影響。

圖2 簡化計(jì)算模型剖面圖

由于沖擊過程的動(dòng)力學(xué)研究非常復(fù)雜，很難進(jìn)行精確的解析，目前國內(nèi)外最常用數(shù)值分析與模型試驗(yàn)兩種方法對沖擊過程進(jìn)行分析。隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，加之有限元數(shù)值分析水平不斷提高，人們更趨向于用數(shù)值模擬方法來處理難于求解或是非常復(fù)雜的工程問題。在沖擊模型設(shè)計(jì)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入到塑性變形狀態(tài)時(shí)，幾何非線性和材料的非線性特征將出現(xiàn)在本構(gòu)方程中，方程的解析解將很難求得。這時(shí)采用有限元的非線性分析方法可以比較方便求得其數(shù)值解，針對非線性問題，國際上目前已經(jīng)有多套可以進(jìn)行非線性計(jì)算的有限元軟件被開發(fā)出來了，這些軟件可以用來求解多種非線性問題[2]。本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，對落石沖擊下屋面板及其防護(hù)緩沖層的動(dòng)力響應(yīng)做相關(guān)研究。

ANSYS/LS-DYNA程序系統(tǒng)是將有限元程序LSDYNA和ANSYS程序強(qiáng)大的前后處理結(jié)合起來，他們之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 LS-DYNA和ANSYS之間的關(guān)系

3 建立有限元分析模型

3.1 單元類型

ANSYS/LS-DYNA程序顯示動(dòng)態(tài)分析中提供了豐富的單元庫，包括桿單元、梁單元、薄殼單元、實(shí)體單元、彈簧阻尼單元、質(zhì)量單元、纜單元等類型。以上單元的特點(diǎn)是：都采用線性位移插值函數(shù)低階單元，縮減積分算法采用缺省算法。實(shí)踐證明，線性位移函數(shù)和單點(diǎn)積分的顯式單元可以很好地用于模擬大變形和材料失效等非線性問題[3]。本文研究模型中主要采用的是SOLID164實(shí)體單元。

3.2 坐標(biāo)系建立

模型中選定鋼筋混凝土板底面的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，板平面為XY平面。落石下落方向?yàn)閆軸方向，垂直向上為Z軸正向。

3.3 材料模型

該結(jié)構(gòu)有限元模型的幾何物理數(shù)值所采用的單位統(tǒng)一在表1中列出。

表1 單位制度

3.4 網(wǎng)格劃分

若要使有限元模型的計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際，網(wǎng)格的劃分應(yīng)盡量密集。然而網(wǎng)格過于密集會(huì)造成運(yùn)算量過大。結(jié)構(gòu)板面的中心為落石沖擊作用的主要影響區(qū)域，可在建立結(jié)構(gòu)板面模型時(shí)，通過移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)工作平面將整個(gè)板面切分成9塊。這樣就可以僅將落石沖擊作用的主要影響區(qū)域面板中心網(wǎng)格尺寸劃分的密集點(diǎn)，而四周區(qū)域就可相對稀疏點(diǎn)。通過這種網(wǎng)格劃分處理既增加了結(jié)果的準(zhǔn)確性，又一定程度控制了運(yùn)算量。模型中將混凝土板沿厚度分為10等份，在靠近底面層位置（即倒數(shù)第二層）設(shè)鋼筋。整個(gè)結(jié)構(gòu)有限元模型網(wǎng)格劃分后效果如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.5 剛體定義

落石與緩沖防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，顯得十分“剛硬”，因此，在仿真建模時(shí)把落石視為剛性體。將有限元模型中相對較剛硬部分用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件中的剛性體材料模型定義，這樣將大大縮減程序中顯式分析計(jì)算時(shí)間，計(jì)算時(shí)間的縮減是由于定義成剛體后，剛體模型會(huì)將整個(gè)剛體的所有各個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度都集中耦合到整個(gè)剛性體的質(zhì)量中心上。所以不論在剛體中定義了或多或少的節(jié)點(diǎn)，整個(gè)剛性體的自由度有且只有6個(gè)。作用在整個(gè)剛性體上的各個(gè)力和力矩都是由每個(gè)時(shí)間步對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)力和力矩合成，然后整體計(jì)算剛體運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成為節(jié)點(diǎn)的位移。這樣就能很大程度上減少顯式分析的計(jì)算時(shí)間。由于落石被定義為剛體需要對落石單元的全部節(jié)點(diǎn)施加完全約束。

3.6 PART的定義

具有唯一的TYPE號、REAL號、MAT號組合的一組單元可以定義為一個(gè)PART。PART是一種單元集，這些單元具有相同的材料、單元屬性和單元類型。本模型中緩沖材料層單元為一個(gè)PART號，混凝土單元為一個(gè)PART號，加鋼筋層單元為一個(gè)PART號，落實(shí)單元為一個(gè)PART號。

3.7 定義接觸并施加初始條件及荷載

定義落石與屋面緩沖結(jié)構(gòu)的接觸類型，本計(jì)算模型選用的是自動(dòng)面面接觸（ASTS）類型。通過這種自動(dòng)接觸算法類型可以自動(dòng)確定屋面緩沖結(jié)構(gòu)單元的接觸表面方向。選用批處理接觸算法確定發(fā)生接觸的target面和contact面。

為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，省掉了對落石下落過程的模擬，取落石下落一定距離后與屋面緩沖結(jié)構(gòu)接觸之前的某時(shí)刻作為分析的初始時(shí)刻，因此落石在分析過程的零時(shí)刻就已具有一定的初速度。為此，應(yīng)該給落石賦予與下落高度相對應(yīng)的初速度。

分析開始之后，落石受重力作用繼續(xù)下落，因此需要為落石施加重力加速度作為外荷載。

3.8 求解控制并求解

ANSYS/LS-DYNA在求解前需要對相關(guān)求解及輸出選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置：

設(shè)置求解終止時(shí)間為0.02ms；

設(shè)置文件輸出步數(shù)為100；

設(shè)置文件輸出類型為LS-DYNA。

未特別說明的項(xiàng)目采用默認(rèn)值。至此便可進(jìn)行求解。

4 結(jié)束語

本文介紹了數(shù)值模擬模型的簡化來源、工程背景，包括結(jié)構(gòu)布置、材料參數(shù)的選取確定。重點(diǎn)介紹了計(jì)算模型的建立步驟和相關(guān)細(xì)部設(shè)定。就是根據(jù)具體研究情況選擇合適的設(shè)置參數(shù)，給出了求解分析的步驟，并對軟件后期結(jié)果輸出設(shè)定作了相關(guān)的介紹，完成了落石沖擊下鋼筋混凝土板ANSYS/LS-DYNA有限元分析模型的建立。