淺談運用計算機程序編制實現大壩 ANSYS三維模型自動建立的方法

唐 蘭,侯 波

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

對水電站大壩工程的計算,有限元軟件已經成為必不可少的設計工具,尤其是近年來,高壩的不斷出現,有限元計算已經成為必需的計算分析方法。目前,商用的大型有限元軟件很多,如 ANSYS、MARC、PATRAN等,但各有特點。其中,ANSYS有限元軟件是一個多用途的有限元分析程序,可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題,得到廣泛應用。然而,有限元的模型建立一直都是一項耗時、耗力的工作,若以 ANSYS軟件自身的前處理模塊進行,不同的工程就要進行不同的實體建立、單元剖分,且單元網格密度往往不能按照我們的計算要求達到較為滿意的程度,因此迫切需要編制 ANSYS軟件的大壩前處理程序來自動完成這項工作,減少勞動工作量,提高工作效率。本文提出利用編程語言如 Fortran、VB等編制生成滿足設計要求的三維大壩 ANSYS有限元模型的方法,根據工程的特點自動生成有限元網格、賦予單元材料屬性和模型荷載的 ANSYS命令流文件。本文結合在實際工程中的初步應用經驗,進行拋磚引玉,與同行進行技術交流。

2 開發前處理程序的基本思路

ANSYS有限元模型的建立有兩種方法:一是先建立點、線、面、體,然后進行單元剖分、局部調整單元密度。二是直接生成節點、單元信息。前一種方法,較為繁瑣,其單元不可控的因素較多。因此,本文直接采用第二種方法生成有限元網格的節點、單元信息,并對其編號,使之受控,進行材料參數賦值和荷載施加,生成單元疏密和形狀滿足大壩計算要求的三維模型及材料賦值、荷載施加命令流文件。

3 基本步驟

根據工程特點和計算的側重點,采用分區的方法對模型單元進行分區規劃,采用先節點后單元的方式,先生成重要的和主要的區域單元,再根據其單元分布特點進行次要區域的單元生成。基本步驟為:

(1)確立原點,建立三維整體模型的 XYZ坐標系,確立有限元分析區域。工程計算中,常按壩高來確定三維有限元網格范圍,一般左、右岸各取 1.5倍壩高;上游 1倍、下游 2倍壩高;壩頂以上 0.5倍、壩基以下 1倍壩高。根據工程的重要性、特點和計算要求可進行范圍的調整。

(2)大壩壩體節點、單元的建立。大壩是研究的對象,因此大壩單元是最主要和最基礎的單元并作為其他區域單元建立的基準。首先,定義單元類型號和材料號。其次確定單元大小,在高程方向,結合兩岸地質特點及要分析的水荷載確定分層數;橫河方向和順河方向,考慮大壩單元大小均勻變化的原則及大壩的厚度確定分層數。最后,利用上、下游壩面控制點坐標作為前處理程序的輸入文件,生成大壩節點命令流文件和單元命令流文件。

(3)建基面兩岸和河床范圍節點、單元的建立。建基面兩岸和河床范圍是大壩基礎受力的主要區域,因此,作為第二個單元生成區域。建基面兩岸單元以大壩建基面單元為參考,向兩岸和河床以下放射性地進行單元劃分和編號。

(4)大壩下游基礎單元的建立。在滿足計算精度的條件下,為減少計算時間,網格疏密考慮單元尺寸沿順河向可從建基面開始向下游逐漸變大,設置比例因子來自動調節單元的漸變,生成相應的節點、單元命令流文件。

(5)其他基礎單元的建立。在模型模擬的范圍內,其他區域因對大壩的應力、位移影響較小,可根據整體模型單元的情況建立較大單元。

(6)按照 ANSYS命令流格式,結合單元編碼,生成節點水荷載、溫度荷載等命令流文件。

(7)在 ANSYS命令行中輸入“/input,文件路徑及文件名”,逐步導入節點文件、單元文件、材料文件和荷載文件生成三維有限元計算模型。

4 實例分析

為了更好地闡明上述的建模思路,下面采用一個大壩工程的三維有限元整體模型前處理的例子加以說明。拱壩是所有壩型中體形較為復雜的,其他壩型可參考。

某水電站拱壩壩高 270m,上游計算水位高程為2520.0m,壩體混凝土的線彈性模量為 2.40×104MPa,混凝土泊松比為 0.167,容重 2.4t/m3,線脹系數 1×10-5/°C。現對該拱壩運用 ANSYS有限元計算做前處理。

(1)建立坐標原點,確定計算范圍。

(2)生成拱壩節點、單元及材料參數賦值。在常規拱壩靜力、動力分析計算中,精度能滿足設計要求的 8節點六面體單元使用最多,因此,采用六面體單元進行大壩三維 ANSYS有限元模型建立。對于拱壩,在線彈性假定之下,壩體和壩基的接觸部位,由于材料參數和模型幾何參數的不連續,不可避免地會出現應力集中現象。在計算分析中,采用薄層單元可減小其影響,其厚度一般不宜大于壩高的1/20。本例考慮薄層單元列入大壩單元劃分寫入命令流文件。

該大壩單元沿高程方向分 9層,順河向分 4層,薄層單元按 1/200壩高考慮,生成的模型節點和單元見圖1。

節點、單元命令流文件典型內容如下:

①大壩節點文件 DamNode.txt:

②大壩單元文件 DamElement.txt:

(3)建基面兩岸和河床基礎范圍節點、單元的建立。

不少有限元計算結果表明,在線彈性分析中,拱壩壩基采用綜合變形模量的方法計算得到的拱壩位移、應力結果和實際模擬地層的計算結果相差較小。本文對河床兩岸不同高程采用綜合變形模量的方法建立有限元模型。對于非線性計算,近壩區的不利地質條件可能影響大壩位移、應力計算的結果需單獨模擬,可參考本文的思路和方法合理規劃單元劃分。

圖1 大壩節點和單元

圖2 大壩和兩岸基礎的節點、單元

圖3 大壩、下游和河床壩基節點、單元

圖4 整體模型的節點和單元

以大壩邊界單元大小為參考向兩岸和河床以下放射,采用逐漸變大的方式,比例因子為 1.1,形成的節點和單元見圖2。命令流文件典型內容同大壩節點、單元文件。

(4)大壩下游基礎單元的建立。采用單元逐漸放大的方式,比例因子為 1.3,形成的節點和單元見圖3。命令流文件典型內容同大壩節點、單元文件。

(5)其他基礎單元的建立。同樣采用單元逐漸放大的方式。因其重要性最低,比例因子大于上面的值,采用 1.5,最終形成的整體模型的節點和單元見圖4。

(6)根據規劃好的坐標系,節點、單元編號及材料編號,自動生成材料賦值、約束施加、荷載施加命令流文件,施加后的三維模型見圖5。典型內容如下:

①材料賦值文件 MatValue.txt

et,1,45!大壩單元類型為 solid 45

uimp,100,ex,dens,alpx,24000000000.00,2400.00,0.00001 !大壩彈模、容重、線膨脹系數

uimp,100,nuxy,,,0.167 !大壩泊松比賦值

......!其他基礎單元定義和材料賦值

②約束施加文件 RestraintJoint.txt

nsel,s,loc,x,0

nsel,a,loc,x,1580.00

d,all,ux,0!邊界上 X方向法向約束

......!邊界上 Y,Z方向同樣法向約束定義

③節點荷載 Load.txt

bf,1,temp,-2.78 !大壩節點 1溫度荷載

bf,2,temp,-2.94 !大壩節點 2溫度荷載

......

圖5 材料賦值、施加約束和荷載后的有限元模型

圖6 典型等值線

esel,s,elem,, 1,108!單元選擇

sfgrad,p res,,z,2520.00,-9810.00!水荷載施加

sfe,all,1,pres

(7)計算成果檢查。根據已經建好的三維拱壩模型進行線彈性有限元計算,典型的位移、應力等值線見圖6。,經與拱梁分載法計算成果比較,其分布規律和拱梁分載法吻合良好,極值差別不大,有限元計算結果可靠。

5 結 語

根據 ANSYS有限元軟件的內在規定,用編程語言編制大壩ANSYS三維模型自動建立的方法和思路,能大幅節約建模時間,提高工作效率。

(1)直接進行節點、單元建立的三維模型建立方法,節點、單元可根據需要隨意調整,且不易發生單元奇異,有利于后面的計算收斂,減少奇異單元檢查工作。

(2)合理的單元規劃很重要,根據建筑物的重要性和受力特點進行單元劃分分組,并以每一組單元的交界作為單元控制面進行不同組單元的銜接,單元的疏密能滿足計算的要求,單元編號有序,更易控制。

(3)前處理采用生成 ANSYS命令流文件的方式進行模型材料的賦值、約束及荷載的施加,方便、準確,且便于修改。