基于ANSYS的雙曲拱壩參數(shù)化建模技術(shù)研究

王倩

摘 要：拱壩屬空間殼體結(jié)構(gòu)，其幾何形狀、邊界條件和應(yīng)力狀態(tài)都比較復(fù)雜，因此，工程實(shí)際計(jì)算中需精細(xì)化有限元模型為基礎(chǔ)進(jìn)行壩體應(yīng)力變形分析，本文結(jié)合雙曲拱壩的拱圈及拱冠梁幾何參數(shù)，采用ANSYS軟件，通過(guò)APDL參數(shù)化語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)、線、面、體的自下而上的雙曲拱壩模型的精細(xì)化建立，在實(shí)際工程優(yōu)化方案時(shí)顯示了較高的效率。

關(guān)鍵詞：雙曲拱壩;參數(shù)化;三維模型

1 緒論

拱壩作為三大壩型之一，因其幾何形狀、邊界條件及應(yīng)力狀態(tài)都比較復(fù)雜[1]，拱壩應(yīng)力分析時(shí)，除了采用拱梁分載法進(jìn)行計(jì)算外，還應(yīng)進(jìn)行線彈性有限元分析，對(duì)于高拱壩和情況復(fù)雜的拱壩，必要時(shí)可采用非線性有限元法進(jìn)行分析[2];而面對(duì)仿真技術(shù)日趨成熟的發(fā)展，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，勢(shì)必在精度和可靠度方面有了更加嚴(yán)格的要求[3];并且隨著拱壩技術(shù)的發(fā)展，拱壩體形越來(lái)越多樣化、復(fù)雜化，拱壩建模和劃分網(wǎng)格的難度也在日趨加大，因此通過(guò)ANSYS中的APDL參數(shù)化語(yǔ)言編程[4]，從而可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面、體的自下而上的雙曲拱壩模型的精細(xì)化建立，以達(dá)到計(jì)算時(shí)高效、精準(zhǔn)、可靠的目標(biāo)。

2 雙曲拱壩參數(shù)化建模

雙曲拱壩參數(shù)化建模包括以下流程：

（1）確定攔河壩主要尺寸及壩體體形參數(shù)，包括拱圈數(shù)、拱圈高程、上下游拱圈半徑、左右中心角等，根據(jù)以上尺寸和參數(shù)計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)。

（2）利用循環(huán)命令建立各層拱圈的關(guān)鍵點(diǎn)。

（3）根據(jù)各拱圈關(guān)鍵點(diǎn)形成各層拱圈。

（4）建立拱壩整體幾何模型。通過(guò)拱圈利用蒙皮技術(shù)形成面，結(jié)合左右岸、頂面和底面，形成拱壩壩體三維模型。

（5）以拱壩壩肩為基準(zhǔn)延伸1.5倍壩高，再結(jié)合底面，向上下游及底部各延伸1.5倍壩高，生成拱壩壩基巖體。

（6）建立溢流堰的細(xì)部結(jié)構(gòu)。

雙曲拱壩APDL建模流程圖見(jiàn)圖1。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

本文以某雙曲拱壩為例，進(jìn)行了參數(shù)化精細(xì)建模。該壩壩頂高程140.0m，最大壩高45.0m，壩頂厚度為3.7m，壩底拱冠梁處厚度為11.5m，攔河壩由非溢流壩段和溢流壩段組成，非溢流壩段位于大壩的兩端，全長(zhǎng)143m;溢流壩段全長(zhǎng)66m。溢流壩堰頂高程137.0m，為開(kāi)敞式實(shí)用堰，溢流堰共12孔，每孔凈寬5.0m，中墩厚0.5m。攔河壩主要尺寸表見(jiàn)下表。

3.2 參數(shù)化建模

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)采用參數(shù)化編程實(shí)現(xiàn)了雙曲拱壩三維建模，在工程實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了高效的目標(biāo)，尤其在工程早期階段的壩體體形優(yōu)化過(guò)程中，可方便快捷地對(duì)多方案進(jìn)行精確修改，為下一步的壩體應(yīng)力變形分析提供了可靠的基礎(chǔ)及支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]王海娟.基于ANSYS的拱壩等效應(yīng)力分析及考慮施工加載過(guò)程對(duì)壩體應(yīng)力的影響研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

[2]陸忠民，等.混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2018.

[3]徐鎮(zhèn)凱，吳歡強(qiáng)，馬連軍.基于AutoCAD與ANSYS建立雙曲拱壩三維計(jì)算模型方法分析[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2009（3）：260-263.

[4]高長(zhǎng)銀，等.ANSYS參數(shù)化編程命令與實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.