某拱坝体形优化及坝体应力三维有限元分析

摘要

随着科技的发展,拱坝在水利水电建设中已成为一种越来越重要的坝型,在水利水电建设中占有非常突出的地位,它以结构合理、体型优美、安全性高、经济性优越而被国内外广泛采用。但由于拱坝自身特殊的空间壳体结构,其几何形状和边界条件都很复杂,应力状态也比较复杂,用手工计算时耗时长,误差大,且难以找到安全性高、经济性均较优越的拱坝体形。因此,探索拱坝体形优化设计的方法及坝体应力有限元分析方法,对拱坝的工程设计和施工都具有举足轻重的作用。目前,用于拱坝的应力分析方法主要有拱梁分载法和有限元法。拱梁分载法计算数据相对减少,计算速度较快,计算成果较直观,便于用于坝体体形优化设计。有限元法理论上比拱梁分载法完善和先进,是相对精确的一种方法,计算功能也远比结构力学方法强,它可以处理拱梁分载法许多难以处理的问题,可以考虑大孔口、复杂基础、重力墩等不规则外形等。本文主要工作为：在查阅大量国内外资料的基础上,对拱坝的发展状况、应力分析方法、拱梁分载法及有限元分析方法的现状进行了总结和评述；推导了拱梁分载法及有限元法的基本公式,研究了拱坝有限元等效应力计算及应用；结合某工程实际,拟定五种不同水平拱圈型式的拱坝体形,采用拱梁分载法,以浙江大学ADAO拱坝优化软件为平台,对拱坝进行优化设计；采用有限单元法分析原理,以有限元计算软件ANSYS为平台,对拱坝应力和位移进行计算。计算成果表明采用拱梁分载法+三维有限元法的拱坝计算方法能有效寻找安全性高、经济性较优的拱坝体形。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 拱坝的发展概况及其特点

1.1.1 拱坝的发展概况

1.1.2 拱坝的工作特点

1.2 拱坝的应力分析方法

1.2.1 圆筒法

1.2.2 纯拱法

1.2.3 网格法

1.2.4 格栅法

1.2.5 内力平衡分载法

1.2.6 内力参数法

1.2.7 杆元分载法

1.2.8 拱梁分载法

1.2.9 有限单元法

1.3 拱坝体形优化方法的现状

1.4 有限元分析拱坝的现状

1.5 本文研究的内容

2 拱坝体形优化设计方法介绍

2.1 计算方法

2.2 数学模型

2.3 优化变量

2.4 目标函数

2.5 约束条件

3 有限元分析的基本原理

3.1 三维有限元分析的基本原理

3.1.1 网格划分

3.1.2 单元分析

3.2 凝土应力变形的有限单元法

4 基于ANSYS软件的混凝土应力变形的有限元计算

4.1 ANSYS软件介绍

4.1.1 ANSYS的发展

4.1.2 ANSYS软件简介

4.1.3 ANSYS的特点

4.2 ANSYS在水利工程中的应用

4.3 单元简介

4.3.1 SOLID65单元

4.3.2 SOLID45单元

4.3.3 CONTACT175和TARGET170单元

4.3.4 Beam4单元

4.3.5 SHELL93单元

5 工程算例

5.1 工程概况

5.2 基本资料

5.2.1 坝址气温水温资料

5.2.2 地形地质条件

5.2.3 计算参数

5.2.4 抗震设计标准

5.3 拱坝体形优化

5.3.1 作用效应及应力控制标准

5.3.2 体型优化结果

5.3.3 体型方程及优化应力结果

5.4 拱坝三维有限元应力分析

5.4.1 计算模型

5.4.2 计算工况与作用效应组合

5.4.3 计算成果

6 结论

致谢

参考文献

附录