基于ABAQUS的混凝土重力坝优化设计

1、 基于ABAQUS 的混凝土重力坝优化设计李献勇,杨海霞河海大学土木工程学院,南京(210098E-mail :tomcslee摘 要:现阶段,大型商用软件中只有极少数软件有优化设计模块,而这些软件中优化方法又比较单一。ABAQUS 拥有强大的计算功能。ABAQUS 调用用户子程序User Subroutine 输出结果,形成FORTRAN 的输入文件。根据重力坝基本断面的几何特征,利用ABAQUS 的input 文件编写参数化建模程序,运用复行法进行优化分析,并结合实例对重力坝进行了优化分析,结果合理。从而丰富和便捷了优化方法。 关键词:混凝土重力坝;ABAQUS ;优化设计1. 引言混凝土

2、实体重力坝为当前采用较多的坝型之一。重力坝1剖面设计是重力坝设计的一项重要内容,它的任务是根据安全经济和应用等条件,通过分析计算,选择一个既满足稳定和强度要求,又使体积最小和施工方便的剖面形态和轮廓尺寸。ABAQUS 3,4软件是大型通用的有限元分析软件,它具有强大的计算功能和二次开发的空间。通过编写input 文件可以建立参数化模型,计算结果可以通过User Subroutine 输出,可被FORTRAN 直接调用进行优化。根据重力坝优化计算原理和分析方法,基于ABAQUS 实现重力坝的优化设计。2. 混凝土重力坝的优化设计数学模型2.1 优化设计变量重力坝断面优化设计的变量:321x x

3、x X =(11x 、2x 和3x 的意义如图1所示。 图1 坝体优化设计变量 2.2目标函数目标函数取单位坝段的断面面积(W X 。2.3约束条件(a 应力约束条件考虑了坝基及坝体内层面下游边界上点的抗压强度,它们应分别满足规范规定的控制条件。下游边界抗压(常态混凝土:0(max 1=+ccz A g (2下游边界抗压(碾压混凝土: 0(max 2=+rrz A g (3式中:max cz 、maxrz 分别为坝基面和坝体层面下游边界最大垂直应力;+c、+r分别为坝基常态混凝土和坝体碾压混凝土容许压应力;根据混凝土重力坝设计规范(DL5108-1999,用有限元计算混凝土重力坝上游垂直应力时

4、,控制标准为:坝基上游面,记扬压力时,拉应力区宽度宜小于坝底宽度的0.07倍(垂直拉应力分布宽度/坝底面宽度或坝踵至帷幕中心线的距离;坝体上游面,记扬压力时,拉应力区宜小于计算截面的0.07倍或计算截面上游面至排水孔(管中心线的距离。所以有上游边界抗拉:007.0(3=c ck A g (4 式中:c ck 为坝上游面垂直拉应力分布宽度/坝底面宽度。(b 稳定约束条件重力坝抗滑稳定分析的抗剪断强度公式(=+=n i inini ii niiA A c f K 11(5ni 滑动面单元的正应力; ni 滑动面单元的剪应力;i f 滑动面单元的抗剪断摩擦系数; i c 滑动面单元的抗剪断凝聚力;i

5、 A 滑动面单元的面积。式(5是目前规范推荐的公式,该法认为坝体与基岩胶结良好,直接采用实验得到的抗 剪断参数f和c,物理意义明确,对于基本组合, 3.0cK。(c几何约束。下游面坡度比m;上游面坡度比n;3.基于ABAQUS的重力坝基本断面优化设计的方法和过程本文采用复形法进行优化2,复形法是不需要导数的空间搜索数值法,概念简单,适应力强,能求出整体最优点,当其他方法无法应用时,就可以想到使用复形法。利用ABAQUS 的INP文件编写断面信息建立模型。计算并通过User Subroutine输出到结果文件,形成FORTRAN的输入文件,运行复行法进行优化。本次重力坝断面优化设计中,先用3个设

6、计变量和一些已知量建立实体模型;并以几何约束和性态约束为约束条件,每次建立模型后,自动分析两项约束条件是否满足,并计算出目标函数即坝体断面面积的值;通过复行法优化,在满足各种约束的条件下,不断对5个设计变量进行优化调整,重复建模计算,直至坝体面积最后收敛于某一极小值。此时这一目标函数所对应的满足约束条件的设计变量即为最优解,从而实现重力坝基本断面的优化设计。4.算例选取某重力坝坝后式厂房12号坝段进行结构分析和优化设计。4.1基本资料几何数据坝顶宽12.0米, 坝顶高程为1138.00米,坝底高程为1012.00米,即坝高126米。水位资料上游水位高程1134.00米,下游为1016.5米,即

7、上游水位122.0米,下游水位4.5米。泥沙资料沙位1082.00米,上游面泥沙高为70米,泥沙密度为0.95t/m3,内摩擦角为24度。坝体和基岩力学指标:f=1.03,c=0.98mpa表1 材料参数部位弹模(Pa泊松比容重(kN/m3坝体 2.5×10100.167 24.0 基岩6×1090.22 25.0 4.2优化过程本文采用四节点平面应变缩减积分单元(cpe4r划分网格。坝体地基上下游剖分宽度为1.2倍高程,坝体地基深度剖分为1.5倍高程。由于以混凝土重力坝上游垂直拉应力区宽度小于坝底宽度的0.07倍(垂直拉应力分布宽度/坝底面宽度或坝踵至帷幕中心线的距离作为

8、应力的判别标准,所以沿坝基面的网格剖分应致密一些,在有限的网格剖分中,节点总数 为1952,单元总数为900,建立的有限元模型示意图见图2。 图2 网格划分初始设计变量为X1=28.0,X2=5.6,X3=82.5,取值范围为: X1高程限制(单位:m1012.0X11040.0下游面坡度比m0.7m0.75上游面坡度比n0.1n0.34.3优化结果表2 剖面优化前后尺寸对比 初始设计方案单位体积V=6127.903m,最优目标函数值VO=5848.6203m,同原设计方案比较优化后设计方案可节省混凝土材料4.56%左右 图3 第一主应力等值线 图4 第三主应力等值线在ABAQUS的后处理器中

9、可以调出对应优化设计的断面应力结果,从坝体断面第一、三主应力等值线(拉为正,压为负图3、图4可以看出,断面大范围存在压应力,这主要是坝体承受水压力的结果,仅在坝踵及相应地基处存在着拉应力,最大拉应力达到1.07 MPa; 最大压应力发生在坝趾部位，达到 14.7 MPa。 另外从图中可以看出， 除去有限元法在坝踵、 坝趾部位受角缘效应影响出现较高水平的 应力集中外，坝体应力沿坝高分布较均匀。应该指出，在有限元分析中，坝踵、坝趾处的应 力集中问题非常复杂，应力集中的数值和区域受该部位的单元种类、单元形态、网格疏密程 度以及坝体材料与地基材料的相对刚度等多种因素的综合影响；混凝土重力坝设计规范 (

10、DL51081999中， 根据国内外工程设计经验和对大量的国内外重力坝进行有限元系统静力 分析基础上，在静力设计中，采用坝踵拉应力区在坝基面的深度小于坝底宽的 7的设计标 准。实际上，由于岩体中存在的微细裂缝和混凝土本身具备一定塑性性质，这对高应力集中 部位有缓解作用，以及坝面与基岩面并非理论上的直线相交，坝踵、坝趾部位的实际应力应 小于计算值，加之范围很小，可以认为尚不至于影响坝体的安全。 5. 结束语 上述基于ABAQUS对某重力坝基本断面的优化设计，论述了重力坝断面优化设计的方 法和步骤,很好地印证了ABAQUS在优化设计中的应用价值。笔者认为，应用ABAQUS软件 进行重力坝断面的优化

11、设计可以丰富和便捷现有的优化方法， 提高计算速度， 且使计算结果 更直观、全面，它必将在水工结构设计方面有着更为广阔的发展前景。 参考文献 1 2 3 4 混凝土重力坝设计规范(DLA1081999S. 蔡新，郭兴文，张旭明. 工程结构优化设计M.北京.中国水利水电出版社.2003年10月. 庄茁等.ABAQUS非线性有限元分析与实例.科学出版社.2005年3月 石一平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解,机械工业出版社，2006 An ABAQUS-based Optimal Design of Concrete Gravity Dam Li Xianyong, Yang Haixia

12、Institute of Civil Engineering, Hohai University., Nanjing (210098 Abstract Nowadays, a few of commercial software be capable of optimum design, and the optimum methods are relatively simple. ABAQUS has a strong computing capability. User subroutine called by ABAQUS to output the result, and then th

13、e input file of FORTRAN was formed. Based on the geometric characteristic of the primary section of gravity dam, the parametric program is generated with the input file of ABAQUS. The paper provides an optimal design for the primary section of gravity dam by using a Complex optimal Method and optimally analyzes a primary section of gravity dam with practical examples. The res