基于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法，其包括以下步骤：首先建立防波堤精细结构的三维实体有限元模型；其次建立防波堤结构刚体模型及周边环境实体模型；再通过建立的核电站防波堤三维混合有限元模型加入初始应力进行初始工况的仿真，得到核电站防波堤在重力、海水压力作用下的初始状态；最后在得到核电站防波堤初始应力分布后，得到核电站防波堤在波浪作用下的冲击状况、越浪状况，实现了整体防波堤的模拟。本发明满足了对于超大规模的核电站防波堤数值模拟的仿真分析，既可以包含整体模型的响应规律，又可以对局部结构进行细致分析，并获得局部危险处，为核电站防波堤的工程设计提供参考依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种核电站防波堤施工技术领域的方法，特别是涉及一种基 于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法。

背景技术

近几十年来，作为一种高效清洁能源，核电事业得到了快速的发展，全 球新建的核电站数量在稳步增加。在充分利用核电这种新型能源的同时，其 可能导致的危险后果也逐渐被人类重视。出于安全因素的考虑，核电站防波 堤的设计标准有着更为严格的要求。当罕见的天气或灾害发生时，如台风潮 或海啸，会在核电站周边海域产生大潮、巨浪。当巨浪冲击防波堤，造成挡 浪墙等结构的损毁，如缺乏相应的应急措施，核电站建筑物将会遭到不同程 度的破坏，堤后方厂区内也会产生大量的积水，危及核电站的安全，造成严 重的后果。因此，需要对核电站防波堤抗冲击性能及越浪过程进行数值模拟， 以便尽早发现防波堤在施工过程中的薄弱环节及可能出现的问题，为核电站 防波堤的设计建设提供技术支持。

经对现有技术的检索发现，在核电站防波堤抗冲击及越浪过程模拟领 域，与物理模型试验相比较，有限元方法以其简单快捷及结果准确而得到了 广泛的应用。然而大多数研究仍集中在防波堤的二维简化模型，对于超大规 模的核电站防波堤工程，至今缺乏有效的整体分析方法，在考虑整体结构的 分析同时又对局部细节进行细致分析。

S.Shin等在Coastal Engineering,2006,Vol.11(5):4580-4592上发表文章 “Wave transformation,impact,and overtopping on a rubble mound breakwater: large scale measurements and numerical modeling”（“基于大比尺及数值模拟 方法的堆石型防波堤海浪传播、冲击及越浪研究”,《海岸工程》，2006，Vol.11 (5):4580-4592），文中利用实验测量及数值模拟的方法，研究了二维简化模 型下海浪的越浪冲击问题。此类方法将防波堤各护面结构作为流体的固定边 界进行模拟，虽然可以模拟海浪的爬升、翻卷及越浪冲击过程，但无法获得 防波堤整体的越浪状况以及易损坏结构的应力应变状况，具有很大的局限 性。因此，目前还没有一项成熟的数值模拟方法可以对超大规模核电站防波 堤即实现全局的分析同时又可以进行局部的精确分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于混合模型的核电站防波堤 越浪冲击模拟方法，其满足了对于超大规模的核电站防波堤数值模拟仿真分 析，既可以包含整体模型的分析，又可以对局部结构局部细节进行详尽分析。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于混合模型 的核电站防波堤越浪冲击模拟方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，根据设计图纸及提供的地质资料，建立防波堤结构局部精细模 型；对于比较关键及存在较大结构变化的堤段，建立防波堤精细结构的三维 实体有限元模型；防波堤由挡浪墙、堆石、干砌块石、四角空心块结构组成， 各部分之间存在大量的接触，有限元模型充分考虑堆石、填土、挡浪墙之间 的动态接触关系，并利用多个接触控制参数对接触算法进行优化；防波堤在 海浪冲击下，产生位移及变形，同时海浪在防波堤的作用下发生卷吸破碎， 两者之间为典型的流固耦合问题，采用任意拉格朗日欧拉方法进行处理；

步骤二，建立防波堤结构刚体模型及周边环境实体模型；如果对整条防 波堤建立精细有限元模型，其规模将十分巨大，超出现阶段超级计算机的仿 真能力；为此在其余堤段，利用刚体进行模拟，在降低模型的计算规模同时， 又可以保证边界条件的准确性；再根据地质资料，建立对海浪传播造成影响 的礁石、山体周边环境的实体模型，以分析礁石山体周边环境因素对防波堤 越浪冲击的影响；最后将步骤一中建立的防波堤局部精细模型与周边刚体模 型采用固连接触的方式处理，从而确保结构的连续性；

步骤三，通过向以上步骤一和步骤二建立的核电站防波堤三维混合有限 元模型加入初始应力进行初始工况的仿真，得到核电站防波堤在重力、海水 压力作用下的初始状态；

步骤四，在得到核电站防波堤初始应力分布后，根据防波堤堤前不同潮 位下的水文要素模拟波浪的生成，并利用非线性有限元方法进行求解，从而 得到核电站防波堤在波浪作用下的冲击状况、越浪状况，实现了整体防波堤 的模拟。

优选地，所述步骤三包括以下步骤：

步骤三十一，对核电站防波堤三维混合有限元模型施加全局重力载荷及 全局阻尼，重力加速度取值为9.8m/s²，全局阻尼的取值在0.02～0.05之间； 对于防波堤底部采用全约束处理、海水侧部边界采用法向约束处理；利用非 线性有限元方法对模型进行求解，直到获得整体模型达到平衡状态，并获得 整体模型的初始场应力分布；

步骤三十二，将步骤三十一得到的初始应力场分布作为初始应力进行导 入，并同时施加全局重力进行平衡，获得核电站防波堤在重力、海水压力作 用下的初始状态。

优选地，所述步骤一和步骤二中，防波堤结构局部精细模型为满足防波 堤实际结构的模型，水体模型为根据地质实测及水文要素建立的三维有限元 模型，防波堤间各结构为充分考虑彼此接触关系的有限元模型，礁石与山体 周边环境为根据实际地形建立的有限元模型。

优选地，所述充分考虑彼此接触关系的有限元模型包括两个方面：防波 堤各结构之间的接触关系，通过动态接触算法，模拟各结构之间的相互作用 关系，另外对于精细模型与局部精细结构和其余结构交接面，在此采用了接 触固连的方式，在保证边界条件连续性的条件下，避免在两种不同精细度的 网格间划分大量的过渡网格，并通过插值方法进行数据的交换。

优选地，所述防波堤堤前不同潮位下的水文要素模拟波浪的生成是指采 用边界造波法，通过给定造波边界流体的速度和波高，进行数值波浪的模拟； 控制方程主要包括连续性方程和以速度和压力为变量的不可压缩粘性流体 的N-S方程，以此来产生可以满足工程应用的二阶斯托克斯波。

本发明的积极进步效果在于：本发明弥补了以往研究方法宏观与微观无 法兼顾的不足，提出了一种基于整体结构混合模型的仿真方法。该方法既可 以获得防波堤整体在海浪作用下的越浪状况，又可以对关键堤段的关键结构 进行细致的分析；同时进行整体及局部的求解，可以获得较为精确的分析结 构，为核电站防波堤的工程设计提供参考依据。

附图说明

图1为本发明核电站防波堤仿真模拟流程示意图。

图2为本发明实例中的核电站防波堤断面有限元模型的示意图。

图3为本发明实例中的山体有限元模型的示意图。

图4为本发明实例中的礁石有限元模型的示意图。

图5为本发明实例中的核电站防波堤堤前波浪模型示意图。

图6为本发明实例中的关键堤段挡浪墙结构的越浪量分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术 方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发 明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2至图4所示，本实例所仿真的整体核电站防波堤模型全长约1.8 公里，全部采用六面体实体单元，包括山体、礁石、防波堤断面，是典型的 超大规模核电站仿真问题。

如图1所示，本发明基于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法包 括以下步骤：

第一步，根据设计图纸及提供的地质资料，建立防波堤结构局部精细模 型。对于比较关键及存在较大结构变化的堤段，建立防波堤精细结构的三维 实体有限元模型。防波堤由挡浪墙、堆石、干砌块石、四角空心块等结构组 成，各部分之间存在大量的接触，有限元模型充分考虑堆石、填土、挡浪墙 等之间的动态接触关系，并利用多个接触控制参数对接触算法进行优化；防 波堤在海浪冲击下，产生一定的位移及变形，同时海浪在防波堤的作用下发 生卷吸破碎等，两者之间为典型的流固耦合问题，采用任意拉格朗日欧拉方 法进行处理。

局部结构精细模型为满足防波堤实际结构的模型。对于关键的结构挡浪 墙，包括具体参数为：外侧挡墙高程1.2m，内侧挡墙高程2.5m，堤顶宽度 12m；其余结构，如堆石、干砌块石等均按照提供的几何参数进行建模。

水体模型模拟的潮位为变化的，最大潮位为10m，海水深度及纵深变化 则严格按照测定的水文地质资料进行建模。

各结构之间存在大量的接触。对于存在接触的不同结构之间，定义接触 的两个物体分别具有一个接触离散面，对于接触的两边，一边定义为从面， 另一边定义为主面。在两个接触面上的节点分别为从节点与主节点。首先进 行接触的搜索，然后判断接触与释放条件，最后是接触计算。各接触面网格 尺寸需要进行控制，以保证接触区的网格尺寸相差过大，并利用多个接触参 数对接触进行优化，包括接触刚度参数、初始穿透参数以及接触模式控制参 数等。

第二步，建立防波堤结构刚体模型及周边环境实体模型。如果对整条防 波堤建立精细有限元模型，其规模将十分巨大，超出现阶段超级计算机的仿 真能力。为此在其余堤段，利用刚体进行模拟，在降低模型的计算规模同时， 又可以保证边界条件的准确性；再根据地质资料，建立对海浪传播造成影响 的礁石、山体等周边环境的实体模型，以分析礁石山体等周边环境因素对防 波堤越浪冲击的影响。

礁石及山体如图3和图4所示，对于礁石及山体的尺寸按照实测资料进 行建模。山体高约45.2m，长约214m，宽约172m。对于山体的有限元模型， 采用四边形壳单元进行建模，壳单元表面与海水通过关键字建立流固耦合关 系。礁石高约12.1m，长约48m，宽约22m，同样采用四边形壳单元进行建 模，并和山体都采用刚体进行模拟，以节约计算时间。

最后将第一步中建立的防波堤局部精细模型与周边刚体模型采用固连 接触的方式处理，从而确保结构的连续性。在混合模型中，由于需要同时获 得防波堤的宏观和局部冲击越浪状况，在有限元网格划分中，在局部精细结 构和其余结构交接面处必然出现尺寸相差较大的两类网格。如何建立不同网 格精细度之间的连接关系成为混合模型计算是否准确的关键。针对混合模型 中等效管片和精细管片间的衔接问题，在此采用了固连接触的方式，在保证 计算准确性的前提下，避免了在两种不同精细度的网格间划分大量的过渡网 格。网格较为稀疏的接触面被定义为主面，而网格尺寸较小的接触面被定义 为从面。在每一个计算时间步内，从节点上的节点力和节点质量首先被分配 到与此从节点相接触的单元的主节点上，即如下式（1）:

${\mathrm{\Delta f}}_m^i={\phi }_i({\xi }_c,{\eta }_c)f_s...\left(1\right)$

其中，m下标代表主节点，s代表从节点，小为节点的形函数。在从面 上的所有从节点完成分配并加和之后，可根据节点力和节点质景计算出节点 在这一时刻的加速度。从节点的加速度则可根据主节点的加速度，通过插值 方法得到。

第三步，通过向以上两步建立的核电站防波堤三维混合有限元模型加入 初始应力进行初始工况的仿真，得到核电站防波堤在重力、海水压力作用下 的初始状态，具体步骤如下：

（3.1）对核电站防波堤三维混合有限元模型施加全局重力载荷及全局 阻尼，重力加速度取值为9.8m/s²，全局阻尼的取值一般在0.02～0.05之间。 对于防波堤底部采用全约束处理、海水侧部边界采用法向约束处理。利用非 线性有限元方法（求解软件LS-DYNA）对模型进行求解，直到获得整体模 型达到平衡状态，并获得整体模型的初始场应力分布；

（3.2）将上步得到的初始应力场分布作为初始应力进行导入，并同时 施加全局重力进行平衡，可以获得核电站防波堤在重力、海水压力作用下的 初始状态。

第四步，在得到核电站防波堤初始应力分布后，根据防波堤堤前不同潮 位下的水文要素模拟波浪的生成，如图5所示。

本发明采用边界造波法，通过给定造波边界流体的速度和波高，进行数 值波浪的模拟。控制方程主要包括连续性方程和以速度和压力为变量的不可 压缩粘性流体的N-S方程，以此来产生可以满足工程应用的二阶斯托克斯 波。

利用非线性有限元方法LS-DYNA进行求解，从而得到核电站防波堤在 波浪作用下的冲击状况、越浪状况等，实现了整体防波堤的模拟。

分析了关键堤段在最高潮位时海浪冲击作用下，最大一阶主应力分布。 各堤段应力分布以压应力为主，海浪在越过外侧挡浪墙后冲击内测挡浪墙， 两侧挡浪墙处应力较大。在最高潮位的工况下，堤段的最大应力6.17MPa低 于混凝土最大抗拉压强度，处于安全范围以内。最高潮位对应的越浪量已达 到0.086m³/(m·s)，如图6所示，虽低于规定的允许最大越浪量(0.1m³/(m·s))， 但为了安全起见，可对挡浪墙适当进行加高，并加强内坡护面防冲保护。从 而在实现了在整体分析的基础上，对关键堤段进行精确的分析。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益 效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实 施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。