拱壩有限元計算模型的程序化建模

牟高翔,陳 崗,蔡華龍

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072;2.二灘水電開發有限責任公司,四川 成都 610061)

1 問題的提出

隨著電算技術的發展,有限單元法在拱壩的應力分析上得到廣泛的應用。該方法不受結構力學假定的限制,不但可以比較合理地考慮拱壩的整體作用,還能夠進行各種復雜條件下的拱壩力學分析,解決了拱梁分載法中較難處理的各種問題。

創建有限單元模型是有限單元計算分析中不可或缺的一個重要環節。有限單元模型創建的一般過程是:幾何模型(點、線、面、體)→單元模型(節點、單元)。此過程操作極其繁瑣,占整個有限元計算工作量的 70%以上,而且調整不便(計算模型如有調整,整個過程必須重新來過)。對拱壩體形優化而言,針對不同的體形方案,需要建立不同的模型。上述過程建模速度緩慢,而且相同部位的單元網格形狀和幾何尺寸的一致性難以保證,而單元網格的劃分與計算結果密切相關。因此,需要采取另外一種建模方法,一方面能夠快速地將優化調整的拱壩體形轉化成可以用于計算的單元網格;另一方面有一套各種模型都遵循的網格劃分原則,以確保相同部位單元網格形狀和幾何尺寸一致。

2 ANSYS有限元軟件的建模技術①《ANSYS中文學習指南》。

ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元軟件,因其功能強大、界面友好,因而在工程技術領域得到廣泛應用。ANSYS有限元分析軟件的有限元模型的建立可分為直接法和間接法兩種。直接法為人為控制直接生成計算分析所需要的節點和網格單元;間接法是指由實體模型到有限元網格的建模方法。與一般的 CAD軟件一樣,間接法通過點、線、面、體先建立分析對象的實體模型,再進行實體網格劃分,以完成有限元模型的建立。后一種方法因其過程直觀,得到了大量應用,而前一種方法,無疑使通過編制程序控制網格的劃分,直接形成 ANSYS可以讀取的有限元模型成為可能。

在 ANSYS軟件中,允許將建模過程中需要的所有命令以命令流文件的形式快速導入。建模所需要的命令流如下:

/PREP7 (進入前處理器。此為說明,實際流文件不包含,以下同。)

ET,1,PLANE45 (定義 1#單元為 8節點六面體單元)

N,num,x1,y1,z1(定義節點,“num”為節點序號;“x1,y1,z1”為實際節點坐標)

FLST,2,8,1 (以下 10行,通過 8個節點形成一個單元)

FITEM,2,num1

……

FITEM,2,num8

E,P51X

因此只要計算出模型的節點坐標,定義好節點-單元形成規則,就不難以命令流的形式將模型導入 ANSYS中。

3 建模程序的主要功能及流程

3.1 程序的主要功能

根據具體拱壩工程特點和拱壩優化過程的實際需要,建模程序的主要功能如下:

(1)根據拱壩體形參數文件,生成拱壩拱梁交點坐標,通過設置沿厚度劃分單元層數變量和近基礎壩體的薄層單元厚度等參數生成壩體部分的有限單元模型[2];

(2)通過計算域上下游、左右岸及垂直向的邊界參數和單元尺寸縮放因子,生成拱壩基礎單元網格(不帶地形);

(3)通過讀入地形數據和拱肩槽數據生成拱肩槽單元及地面單元;

(4)通過定義層間、層內錯動帶的相關參數,生成軟弱結構面單元。

本程序生成的壩體及基礎單元均為 8節點 6面體等參元。

3.2 程序的編制流程

為了保證程序運算的精確性和便捷性,筆者利用 Fortran語言進行程序編寫。整個程序編寫包括以下幾個流程:生成壩體單元 →生成基礎單元(不含河谷地形)→生成河谷地形單元 →生成拱壩三維有限元模型生成命令流文件。編制流程見圖1。

圖1 有限元網格自動剖分程序流程

4 應用實例

現以某拱壩為例,說明建模程序工作過程。

4.1 生成壩體單元

通過拱壩體形參數生成壩體上、下游面的拱梁交點坐標,并以此作為壩體節點信息和單元信息計算的輸入數據。壩體單元均采用 8節點六面體等參數單元,周邊采用三棱柱體單元向基礎過渡。為便于與基礎錯動帶出露高程協調,在壩體周邊相應高程劃出單元邊界。生成的壩體網格見圖2。

壩體及基礎部位設置薄層單元(也為六面體等參數單元),壩體單元沿厚度方向劃分層數和薄層單元厚度利用輸入參數進行控制[2]。

圖2 壩體有限元網格

4.2 生成基礎單元

沿壩體周邊向上游、下游、拱端以里、河床以下以及壩頂以上進行單元擴展,生成拱壩基礎單元網格。網格劃分遵循越接近壩基部位網格單元尺寸越小、反之越大的原則。該工程壩址地質構造主要為大致平行于巖層面的層間、層內錯動帶,巖層走向,左岸總體為 N20°～40°W/NE∠4°～ 7°,右岸 N 15°～30°E/SE∠3°～5°。從方便建模考慮,將結構面均概化為水平產狀。結構面單元在接近基礎部位,采用三棱柱體單元與壩基單元協調。壩體單元與基礎單元的協調見圖3,生成的左岸基礎單元網格見圖4。

4.3 生成河谷地形單元

利用拱圈平切圖,將包括拱肩開挖槽在內的地形表面數據化,再利用線性插值方法生成地表的單元邊界。生成的拱間槽和河谷地形單元網格見圖5和圖 6。

圖3 基礎單元與壩體單元

圖4 左岸基礎單元

圖5 左岸拱間槽單元

圖6 河谷地形單元

4.4 組裝生成整體模型

將壩體、基礎、表面地形拱肩槽的節點及單元組裝在一起,形成大壩整體模型(見圖7)。在讀入模型材料參數和荷載文件以后即能迅速地計算分析。

圖7 拱壩整體模型

5 結 語

利用 ANSYS軟件中命令流文件這一外部接口形式,編寫的三維建模程序主要有以下特點:

(1)通過程序對體形參數的轉換可生成直接用于 ANSYS計算的三維有限元網格模型;

(2)地形數據和材料參數錄入一次性完成,最大程度避免了相同工程不同體形計算時的重復性工作;

(3)在程序的統一控制下,相同部位的單元網格形狀和幾何尺寸達到最大程度的一致性,從而確保了不同體形之間計算成果橫向對比的精度需要;

(4)可以將壩體單元和基礎單元有控制地細分以滿足不同計算精度的需要。

[1]牟高翔.薄層單元在拱壩有限元計算中的應用[J].水電站設計,2005,21(2):8-13,86.