工程硕士正文

基于ANSYS的拱坝有限元仿真分析及其在病险水库除险加固中的应用重庆大学工程硕士学位论文学生姓名：李军指导教师：姚刚兼职导师：高强工程领域：水工结构谦必重庆大学津建筑与土木楼工程特学院蛇二宪O阴一三棕年呼四姥月币Finit踪eele塞ment数simul拒ation佣anal身ysis认ofar即chda悼mbas贩edon秆ANSY咳S抹步a倘ndit饰sapp众licat河ioni昏nthe痒rein卡force声ment雷ofda项ngero相usre宪servo搂ir傍AThe片sis挺Submi古tted石to巴农Chong澡qing医编Unive语rsity某in该P燥artia本l首F碗ulfil酿lment尝oft城he磁R嗓equir循ement达沙for好the忙企D恨egr守eeof少余Maste僻r穿呆of序勉Engin涉eerin助gBy全LiJu绕n华Super厚vis祝edby抬片Yao男Gang饼Plura代listi藏cSup承ervis援edby刺念GaoQ束iang耕Speci泄alty聪：洞hydro傅-stru幕ct哑ure应Colle盛ge典of肠帐A惕rchit枕ectur狼e半and叉C鼓ivil顺E阴ngine雁ering堵of移Chong疮qing冰膨Unive丝rsity盼漏，地Chon房g甲q鞠ing暖，宾匹China丢April吧浮20虏13柱摘唤要妄复杂的地形粪地貌和地质汤条件下拱坝循有限元模型匆建立和非线纤性仿真分析马是目前拱坝监设计和分析废中的重要研悔究课题。本榨文对拱坝的桐分析方法做裕了总结对比跳，往研究了有限彩元分析中的缎可视化、参封数化方法及赢它们实施技碌术说，嫩开发了基于阶ANSYS拾平台的拱坝更有限元仿真周分析系统爹，先并结合实际疯工程对夏重庆市酉阳父县境内唤胜利水库队双曲拱坝进拴行了三维非萄线性有限元道整体稳定仿遍真分析。色首先隔，口研究了有限绪元中的可视垂化理论、参私数化技术和怕ANSYS穷软件的二次居开发技术存，裳介绍了拱坝讽有限元可视肿化建模的参培数化原理和畏实施技术晕，傲以ANSY茶S为平台对，氧利用ANS血YS提供的血UIDL、采APDL等让二次开发技泻术咱，肚开发了具有判水工特色的厨拱坝仿真分齿析系统艘，醋利用它可较轮方便地对复旦杂地基上的策拱坝进行有井限元建模和宣仿真分析。牙然后乔，萍研究了有限亚元仿真分析袄的基本原理漏及其在AN图SYS软件征中的具体实可现。阐述了技三类非线性敲问题长，准讨论了弹塑怎性分析的基繁本方程和常冲用的强度准料则层，忆并较详细介美绍了ANS怜YS中有限搂元仿真分析俘的基本过程忠。级最后运，长对壮胜利水库神双曲拱坝进宋行了有限元手建模和三维卖非线性有限讯元仿真分析链，赢计算分析了洋各种情况下包坝体和基岩烧的应力位移发规律亡，输对大坝的整重体安全度进魄行了综合评尊判。改关键词：扒拱坝店，赢有限元汗，观仿真分析鸣，受ANSYS顺，线除险加固袖ABSTR仓ACT巩The念谱model应ing蚂你and未绩nonli惭near贞浓FEM汉痰simul梁ation也甜analy赢sis盆绣for渠互arch克缸dam节送desig枣ns剑礼is死壳an仆孤im进p凯ortan年t拴家to霜p稍i特c，湿es洋p磁e钉c豆ially购加for刃贪those赵稻ar哄c皇h者虏dams言阔t哭o役快be睡满built识谅in夜搁lo竖c巾ation搭s郑乔of蕉c辩om交p打lex贫逃to拔p弱ogra紫p逢hi征c上and驼腿geolo珍gi防c验al佳c酸ondit屡ions.傲精In辈殖this源裳Paper陕，捏brief缝休su渔mm底ary昏跨and摸c碧ontra袭st露斜for导陷the话a戏nalyt叮i宴c践al抓甩metho糊ds掩颂of寇仿ar辈c比h喉遥dam嗓打were讯c雀onduc鞭ted白，警the甜长visua赔lizat涝ion螺炉and罩p努arame圾teriz号ation准嫂of旋域FEM调，膝and车朴its耕露im则pleme柿ntati珍on寻were前寒inves环tigat莫ed努，隙and况驳the希漏syste绵m取绸based男块on洪域ANSYS落，技for眠藏the绒竞simul级ation柿供FEM踏糖analy张sis典腐of胃秆ar盏c源h技精dam给叨was杯捷devel健o泪p所ed.签芝And松瞧3讯-感D昂叫nonli歉near锁骑FEM限凤simul吩ation此饰analy闯sis稻豪was陪拐then烦c查a饥rri求ed直剂out长酬for因法Sheng深Li霜械reser胡voir晃替a划r赛c求h切针dam场，蛮which课is存lo语c直ated晃樱in咬失You刮y饱ang灭画Count象y闪，耳Chong风q包ing狐丧Provi双n饿c驾e骄柴of档兽China奔.创The衔论visu壳aliza抬tion我拴theor抽y适植and卵p部arame哄teriz猾ation龄咸te消c哨hn密ique扫劣for逗寒FEM命，倘则and伞肥se壶c具ond疼ary克devel约oping贱赵te债c哈hn慕i纤que钩万for内轰ANSYS他郑were棒身studi四ed.球槐The闲p买arame姓teriz仇ation燥积p丧rin娱c死i测p淹le甚国for割歇FEM娘m承odeli商ng誓昼of势arch精销dam问行and存戏the次户imple敢menta教tion聚慌te腐chni寻que急福were胳志intro具du舟c锄ed.缘勺By恳朵fully爷垦using狂相of恒增the亏哀se喇c贵ondar第y茎剧devel扯oping糊逃te哗c繁hniqu穿es学p倍rovid送ed服团in在僵ANSYS掠，摔su扒c吉h性闻as奖惰UIDL顷，企APDL培津etc渐，芬其a柳栏FEM桂宽simul手ation逐缠analy谷sis杨僚syste身m浊汤of勺度arch袋蝶dam瓣闲based冲若on赠秀ANSYS以的was侍近devel老o豆p粗ed泡，别轧by哨胶means爪写of汉芝whi吨c禁h里币arch迫显dams源傻on汁c竖om浅p降lex撑f躁ounda陆tion敲c仗an盾著be斑似model割ed揪狠and言阻analy商zed驶c东onven加ientl繁y.莫Basi喝c遮theor盛y罩求of碑晋no训n界linea攀r鹅苹FEM那贼analy摩sis阶熔and命室its寻窜reali属zatio程n拥隶in仿卧ANSYS额旨were狗夜studi承ed银，丙three嫁村kinds同涌of其驴no丸n团linea榆r毕马stru奏c甩t店u舍ral普机behav幸iors辅，叮the涝略basi后c隔equat恒ions耗交of烈e钉lasti刺c页and普越p怀lasti干c轰p区roble正m跃吴and饭适stren娃gth篮c爷riter黎ion脖c疤o绞mm妹only麻烂used告品were咏缝dis莲c多ussed斜.牛娇And泛疾the诚母basi宅c庙p释ro暮c骡ess每楚of搞影FEM络么simul借ation淘夫analy你sis晕康in错解ANSYS隐别was马仰in奶t榴rodu宋c汪ed貌艳in阴溉detai很l.插Final弹ly哪，批Sheng气Li隙reser何voir薯浊doubl蕉e-质c裳urva哭ture寒arch柔冠dam抚督was斧站model往ed般伴and标盗3皇-刊D秘悼FEM崖泪simul疤ation俩逃analy蹦sis介蹄was草龙p省erf寸o荷rmed无，础so释as炮窄to霜堂find俭被out惯延the沃甩integ绵ral喘柳safet读y加拣fa你c眉tor娇宣and妇带the佛然stres伶s爪遣and射宪displ貌aceme哑nt肥打p蔽atter郑ns秘斧of路局dam返增and售撞its搜焦found妖atio习n其桶under广敲diffe斗ren沸t涨load竟c疑ombin言ation牧.味Keywo葡rds：刘arch查dam尘，逝f誉inite肉elem骨ent线，坚买simul丘ation呢妈analy郊sis拨，制赏ANSYS任嗽，失reinf悼orcem踢ento奇fdan效gerou雄s逗.施目砖贡录TOC\o"1-2"\h\z\u魂摘雄摆要剑薪I晴ABSTR告ACT送清II及目朽赴录歌览III煤1揭绪论匠倦1肠1.1方拱坝的发展融概况湾隐1舅1.2贷拱坝的结构走特点授倾2票1.3野拱坝的应力毫分析方法燕葬3沸1.4突本文的主要舒内容享肠5歪2杨基于子ANSYS席的拱坝有限霜元几何实体绢仿真建模垄狭6亿2.1斤有限元方法游简介西挖6束2.2酷有限元软件既ANSYS爹简介相查10商2.3禽基于贵ANSYS疲的旷APDL准技术特点穴丽12股2.4典应用原APDL遗实现拱坝几笋何实体的仿摊真建模淹坏13壳3乳拱坝钉仿真分析在房ANSYS瞧中的实现休治27串3.1迎拱坝基于箱ANSYS痒的有限元分匀析流程图趋27妖3.2妨拱坝实体模样型的有限元趴网格划分偏术29疗3.3筑拱坝有限元胖模型的加载手及求解主愚38递3.4草拱坝基于见ANSYS饼后处理的成翅果分析做天38绝4点工程应用反节39嗓4.1零工程概况和键研究内容摸燃3皇9篇4.2研胜利水库拱蒸坝仿真建模淋速39六4.3沙胜利水库拱找坝仿真分析划及结论夺弱39很4.4咏胜利水库拱蹄坝啊除险虹加固后运行动效果纸饺39冶5之结论及展望缘庆40蚊5.1纤结论约纸40荡5.2罢展望赠伏40父参办牌考飘堪文荐坊献大居42虑附向腊录佩故43选A.口作者在攻读慈学位期间发兄表的论文目软录：麻怒43每B.既作者在攻读咸学位期间取损得的科研成历果目录：菌欣43圈谈仗狭脏渣铁自篮术隆1绪论削烧甜纠讲星船栏局乓酒反1稼.1紧拱坝的发展旧概况龙岗娃在水利水电糊工程中，挡酷水建筑物的安种类和型式缓是多种多样旷的，拱坝的使水平截面为理弧形拱圈，旁拱圈两端支父承在两岸岩毅体上，因此英，拱坝相对坝于其他坝型坛更加安全。胃加之拱坝的嘴薄壳结构，局极大地节省结了所用混凝单土方量，更阻加经济。所跨以，拱坝在设国内外有很驴大的发展。员追溯泪拱坝的发展晴历程，据资煎料查证，拱收坝型式最初校是由罗马人鉴在意大利邻勺近的Tre叨sina河粱上于161傍1年修建了泛第一座坝高铁为渡5m厕的砌石拱坝受。扫在罗马时代都法国也修建迁了一座坝高门为樱12m顽的鲍姆拱坝黎，是一个圆适筒形拱坝，效由两层同奇心圬耳工墙中间填揪塞粘土构成惜，随后修建港的是在公元虚550年前捉后土耳其的就德拉拱坝，唤上述两座拱淡坝的修建，棉均可说明在器那时人们已身懂得面对水足流，拱型结贱构具有更理三想的抵抗力监。罢第一个采用奉应力分析方迹法并假定坝档体是由独立看拱圈组成的瓣，是185颗4年建成的呼，坝高慧43m龄的法国左拉侄拱坝。在当碧时人们已经院发现，为使撑拱坝的体积虹减小到最小卷，拱坝的曲只率半径就要非从坝顶到坝徒底逐渐减小萍。当时的拱获坝虽不高，顺但长高比已滋达到了5商.据6。20世叶纪初，美国逮修建拱坝越败来越高，如抱l909年堤建成的帕斯邪芬德拱坝高屑65m苦，1910瞧年建成的巴料菲罗比尔坝排高拼99m张，1913私年开始修建摸的斯波丁坝栏高包84m伶，这三座拱针坝的应力分好析，都考虑围了中间悬臂树粱的作用计丈算拱圈和粱付的变位一致绑，仅仅把拱沿粱与基础当怀作刚性接合停。l914终年建成坝高安51m吧的美国萨门壤溪拱坝是第艘一座采用变筹半径设计的深，使得坝体絮断面呈曲线命形状，为了要解决混凝土驰收缩问题。讯总哑之，此时国贩外在拱坝修桐建和设计理塔论上都已有迁所发展，数窜量虽不算多充，坝高在荣15m璃以上的有4齿0余座。到旨40年代拱票坝在水利水密电工程中才杀开始有较大拾发展，坝型如以重力拱坝逝为主，设计唇也开始采用迫试荷载法。解这种坝型和阀设计方法是孝瑞士最先提头出的，并于翅1920年绩建成蒙特萨挺文斯拱坝。僻该坝不但坝腔体弯曲，而妥且从拱冠到灵拱端逐渐加详厚，不仅考驻虑了拱冠粱聋，而且同时级应用了几个反悬臂梁的概扮念。192障5~193芳5年的10塔年间，美国疮在这一基础绸上又提出考诚虑切向变位厚与水平扭转柔变的新概念径，这就是试吵荷载法。在盒这个时期，杨开始对拱坝疲进行结构模岁型试验，以月便验证计算兰和观测成果买。缝第一座超过钳200m螺坝高的拱坝怕是美国于1混936年建率成的鲍尔德小拱坝，而第攀一座双曲拱泛坝则是19执39年建成竞的意大利奥答西格利塔拱服坝坝高76世．伸8m亏，而且是一带座双曲薄拱跪坝。大量兴搅建拱坝是在晚20世纪4海0年代以后壮，尤其西欧师一些国家对督拱坝极感兴新趣，特别是呆双曲拱坝。故即使在地形雄、地质不利钥的条件下也辛修建拱坝。肚如意大利在答1952至锤l960年悼期间，建成捷和正在施工喜的拱坝有9福0多座。锯就目前拱坝品的发展从数侮量上说，自移1900年棵至1960秋年的60年警间，坝高在吊50m危以上的拱坝扑，共建成2咏60座左右租。目前，在狭亚洲，非洲慎，拉丁美洲悄一些发展中桌国家，也修础建或正在修跪建不少薄拱加坝，较高的磨约有20座爽。据不完全纷统计，国外绒修建(包括扇建成和施工慈的)坝高在受100m扶以上的大坝盼共有391慈座，其中拱脂坝为125拔座，占33猴％。城我国的拱坝饿建设，也有奶悠久的历史捧，据记载1倾927年我挖国就修建过钟一座砌石拱灶坝。拱坝真崭正在我国发血展是在19姐49年以后归，截止到1后988年底闭的不完全统眠计，已建坝笛高蚁15m惧以上的各种栋坝总数已达呜800座以砍上，约占全初世界以建拱匆坝总数的1只/4强谜，吃截止到吃2011权年底的不完锡全统计，已驱建坝高刷50苗m利以上的各种盘拱杂坝总数已达跪40辈座以上。膨我国的锦屏磨一级双曲拱早坝，高胁305m童，是目前世谷界上最高的派拱坝。积1掏.船2富程拱坝的结构症特点赏拱坝是在平厅面上呈凸向笋上游的拱形项挡水建筑物馋，借助拱的摆作用将水压厘力的全部或薪部分传给河轧谷两岸的基炮岩。盛和重力坝相剖比，在水压致力作用下坝桌体的稳定不何需要依靠本誉身冰的重量来维勇持，主要是糟利用拱端基状岩的反作用轧力来支承。侮拱圈截面上严主要承受轴探向力，应力夹分布较均匀凯，可充分利薄用筑坝材料型的强度。因跑此，是一种鸽经济性和安些全性都很好盏的坝型浴。纠拱坝是一个蹄变厚度、变蛮曲率而边界烛条件又很复舒杂的空间壳碎体结构丸。按其坝体卫曲率可分为禾单曲拱坝和面双曲拱坝。熄单曲拱坝为恋只在水平断甲面内呈弧形草，铅直断面昌不弯曲的拱见坝。双曲拱决坝在水平和周铅直断面内婶都有曲率。软按其水平拱需的型式分类着主要有圆拱脖、二心拱、脆三心拱、抛尚物线拱、椭筒圆拱、对数透螺旋拱及混撕合曲线拱等半。赛拱坝的工作灾特点可以看能成是由若干蒜水平拱圈和浇竖直悬臂梁迎组成的空间腊网格结清构，外部水侧压力由拱、英梁共同承担颠，大部分荷悬载通过拱圈观传向两岸坝术肩，小部分戚通过悬臂梁津传到基础拿拱坝主要盲拱与梁的共毁同作用于而稳定下来离，忽稳定性主要痰依靠两岸拱紫端的反力作甜用，因而对碗拱端地基腿的要求很高谎；掩有利于发挥算砼的抗压强偿度事，苏拱梁所承受豪的荷载可相窄互调整,稍因此可以承杰受超载；北而扎拱坝嵌固在末基岩星上，属于无池数次超静定职结构。因此递具有较大的采超载能力。健拱坝坝身可寇以泄水喂。由于建筑睁物本身与山蹦体的稳定性梁连接稳定，遮因此具有较叨好的眼抗震性能骆。由于坝体理的铺几何形状复淘杂，施工炕时写难度端较新大毕。豆拱坝对地形葱、地质条件哄都具有较高式的要求悼。震拱坝对地形别的要求部主要为穷：宇（1）要求萄河谷狭窄逗，河谷的断荐面剖视图由般两个参数衡亦量即宽高比映和厚高比。祝宽高比是坝诊顶处河谷宽敢度夏B与坝高h叠的比值愁，厚高比是碧坝底厚度鞋δ纷与坝高艇h的比值扯。渔河谷的宽高映比越小，意胸味着河谷越也狭窄；拱坝攀的厚高比越泪小，意味着招拱号坝可以建得督越薄诞。棕（2井）河谷左右杯两岸大致对象称陪，这种对称卡的河谷能够仓增强拱坝的颤稳定性网；众（3封）河谷平面铺形状向下游灯收缩此，这种河谷送能够增加拱凡坝坝基的承侧受力，使坝源体固定下来念，不致发生肿滑动平移。童拱坝对地质张的要求储主要为路：柄要求基岩特菊别是坝肩岩慧体完整坚硬沾，没有大的题断裂构造毁和软弱夹层虚，同时要求披基岩耐风化韵、渗透性小耕。桂1吊.死3桶虽拱坝的应力胃分析方法肯拱坝是世界等上最安全的均坝型，并不欢代表拱坝就葱一定不会失谅事，如19材59年法国已Malpa润sset双壤曲拱坝溃坝督，造成了巨比大的人员伤友亡和经济损段失。由此可锁见，拱坝也喷不是绝对安能全的，只有怒保证拱坝坝摇体应力在容悟许控制范围乏内，坝基岩拴基有足够承从载力，拱坝洗的安全才可祖以得到保证虑，拱坝才有珠可能正常运勉行。拱坝在抬运行中会受抬到水压力、兔淤沙压力、者温度场、渗偶流场、重力字场等的相互欧作用，不同被的地形地质兵条件，在各舱种不同的运施行工况，如帆水位的变化阅，温度的变城化等都会引午起拱坝坝体聪内的应力重洋分布。因此蜡，如何合理摊分析出复杂巡环境条件下亲各种工况的鸟拱坝坝体应傻力就显得极秩其重要。集拱数坝是一个变状厚度、变曲纽率而边界条陵件又很复杂享的空间壳体带结构，拱圈据的轴力很大任，对拱圈本骗身的变形和蒙基岩变形影研响显著；坝鞋基岩体实际颜上很复杂，良对拱坝和坝瞧基进行严格饲的理论应力逐分析是很困滩难的，在不工同时期的实的际设计计算但中，通常根唐据当时的理夕论水平和计喜算条件做一绑些必要的假志定和简化，伶因而就有不姑同的应力分撞析方法。杏武⑴卖纯拱法恋纯拱法戚假定坝体由敢若干层独立证的水平拱圈俘叠合而成，谈、每层拱圈据单独进行计少算。由于纯赴拱法没有反渐映拱圈之间痕的相互作用相，假定荷载签全部由水平童拱承担，不剩符合拱坝实粘际受力情况厨，因而求出信的应力一般飘偏大，尤其屠对宽河谷的针重力拱坝，等误差更大。货但由于它是围拱坝所有计射算方法中最书基本最简单斥的方法，常雷常用来近似流的计算狭窄揭河谷中建造携的不太重要最的中小拱坝木的内力和应矛力。其计算范公式为：(较脚标L代表克左半拱圈，鸟脚标R代表斥右半拱圈)颤打玻港①框互兔②比萌造改③看再利用两端纺变形连续条原件，先求出这、怠、丘，计算出M与、H、V，疫有方程组：尼允(转角变匪位连续条件杆)律棍①择骆(径向变居位连续条件产)倍拨②毁抽(切向变建位连续条件刘)绢卸③晌式中过、聚、返、燃、叠、周只和拱圈尺臣寸、拱圈和慧基岩的变形玻模量及基岩声变形有关，虚称为形常数越。迎、类、苍还与水压、距温度等荷载府有关，称为叙载常数。与⑵零拱梁分载法轰拱梁分载法涂是将拱坝视止为有若干水风平拱圈和竖能直悬臂梁组腹成的空间结简构，坝体承固受的荷载一喝部分由拱系踢承担，拱和衡梁的荷载分贺配由拱系和植梁系在各交模点处变位一叨致的条件来京确定。荷载辰分配以后，祥梁是静定结馋构，应力不裕难计算；拱穿的应力可按岸纯拱法计算月。拱梁分载蜂把复杂的弹券性壳体问题波简化为结构幻力学的杆件稠计算。束拱梁分载法受作为一种传多统的分析方慈法，经过长泄时间的实践望工程的考验辛，形成了一港套通过不断毛实践不断修休订的强度设净计准则，被这世界上许多律国家确定为如拱坝设计的庙规范方法。猎但拱梁分载苦法基础变形猎多数均采用贴伏格特所提框出的计算方耍法，比较粗贸略，对于坝惑体内设置大隙孔口，在计惹算中难以合且理反映孔口拐对坝体应力尸的影响。此京外，在编制屡程序时，过齿去国内有些庸程序对于一朵些边界条件籍及假定的近粉似处理方法功不同，这使羞应力计算结则果有所出入明。同时过去哪国内所编制打的拱梁分载艇法程序，一瓣些假定比较触粗糙，对于状低拱的分析牺，尚能满足命精度要求，优但随着拱坝浅高度的增加劫，过去的程兼序就不能满馋足设计要求识，因此，有茄必要进行改倍进和完善，锣以提高其精草度，形成能惩与规范配套氏使用的较为绿标准的程序护。绘⑶价壳体理论计躬算方法锻早在20世建纪30年代裕，F．托尔状克就提出了炊用壳体理论弱计算拱坝应罪力的近似方陵法。近年来真由于电子计麻算机的发展骆，壳体理论锄计算方法也访取得了新的松进展，网格腹法就是应用秋有限差分解挤算壳体方程剧的一种计算暮方法，适用艇于薄拱坝。爹我国泉水双嚷曲薄拱坝采哈用网格法进国行计算，收响到了良好的它效果。但由艰于拱坝体形湿和边界条件际十分复杂，愧使这种计算鱼方法在工程焰中应用受到喉了很大的限映制。煌⑷逆结构模型实乱验法竭结构模型试另验也是研究呜拱坝应力问师题的有效方物法，它不仅拾能研究坝体究、坝基在正兄常运行情况袖下的应力和也变形，而且良还可以进行供破坏试验。右在有的国家双如葡萄牙、饶意大利，甚纪至以模型试堂验成果作为弹拱坝设计的震主要依据，胳并认为试验秃是最可靠的烫手段。对于岔高拱坝设计瓣，采用多种序分析方法与块模型试验，肚已达到相互机补充、相互殖验证，是重崇要工程不可但缺少的理论东依据。葡结构模型试粗验跌虽然对破坏趴过程有直观怒的认识，但凤周期长、成潜本高、研究挖方案单一，妈难以模拟温呢度、渗流等万荷载。⑸有限元法馋所谓有限元滋法，即是将睁一个连续的父物体人为的时分为若干单植元，相邻单河元在节点处课相互连接，竟研究每个单箭元的应力应叔变特性，计轮算每个单元技的刚度矩阵种，然后组合捎成整体刚度穴矩阵。对于斩所有外荷载翁以静力等效浊的方式转移嘴到各节点上辅，并组成节岂点荷载列阵银。最后通过钥节点上的平菜衡条件，计怖算出节点变赔位，进而求新出单元的应窗变和应力。拢对于拱坝的服有限元分析绪，可以将拱废坝供—撇地基系统离蛛散为若干个敏有一定尺寸及的单元，每厕个单元有若屿干个节点，庸相邻单元在怪节点处相互得连接并认为并两者具有相渠同的节点位邪移值，其计摇算步骤为：横①停结构离散化磨处理。滔②敞选择位移函乒数。粉③创单元刚度矩开阵钢的形成。平负面问题的刚阶度矩阵表述巩如下：滑式中，屡为单元本构垃关系矩阵，跪为单元应变椒矩阵。萝④航单元等效节拾点荷载列阵硬。照⑤圣总体刚度矩悉阵脸的形成，由搏第三步形成开的单元刚度川矩阵社，根据单元然的连接情况份来集成总体皱刚度矩阵。构然后由有限碰元基本方程奔即可求得位游移向量。旨⑥芝计算应力，邮由第五步求坚得的位移向养量，再由公允式谢即可求得节垄点和单元应戚力。部随着踩计算机的发狸展，为拱坝告应力分析提绞供了一条新挥的更为精确冲的途径，并康越来越广泛针地用于拱坝乡设计中。货国内针对拱乞坝稳定分析泻自主开发的策三维非线性置有限元分析竭程序主要有紧清华大学的挣TFINE斩和河海大学王的SID3侍D等程序。胁清华大学开兰展的TFI卡NE已有2腊0多年历史首，主要特点慌之一是提出丘了基于D御—生P准则的弹鞋塑性鲁棒算判法，可确保牧复杂结构岩虑体计算的收商敛性。在此衣程序上实现洁了变形加固倦理论、三维键多重网格法泊、断裂损伤槽及局部化分瓦析、网格自议适应算法、厌基于三维有盘限元的结构匪极限承载力哗分析、并行顿求解技术、昏适应拱坝设社计的后处理愧系统。河海翅大学力学系绘开发了SI区D3D程序龙，以收敛性径和突变性作列为稳定判据华，它包括两跨个部分，第挣一部分为非摇线性有限元亚分析ADA超P3D帖—肉2003(鸟有限单元法挽连续变形分腹析)和BK注EM200邻3苏—玻1（块体单内元法非连续静变形分析）氏，第二部分挣为塑性极限博分析PLI来M-IT。否有限元分析聋部分备有接醒口，可以接营入通用的商攻业程序，如逗MARC、荐ANSYS立、ABAQ乳US等。缩该程序功能钩较强，有多团种材料非线甚性本构模型续，可以考虑丑材料的不均酿匀性和各项抹异性，能够三模拟施工加思载过程，包遣括地应力、供渗流和开挖稿时地应力的希释放过程。南国际商业通怀用非线性有贿限元程序A愁NSYS、没ABAQU菜S和FLA缩C颠3D绞（三维快速类拉格朗日分核析）等也被蝇用于拱坝整瘦体稳定分析败。昨1惕.唐4言宽本文的主要胃内容耻因其受力特柱征、几何形隙状、边界条链件等均较复丙杂，所以，咏拱坝在韵各种工况淘作用下的安虫全度，无疑挑是工程设计捕人员所关心德的主要课题昏。目前，拱誓坝应力叫分析主要有湿多拱梁法和膜有限元法，叠但同一拱坝忠用不同多拱汤梁法程序计蝇算的结果不尾一致，尤其致是拉应力相无差较多珍。有限元法办具有较强的膀计算功能，宾不但可以比偷较合理的考友虑拱坝的整料体作用，还渐能进行各种霉复杂条件下蛋的应力分析迟。字早期的有限世元法计算软鲜件严格的说丛不能称之为匙软件，实际以上只是用某圆种语言如F支ORTRA缸N编写的有注限元剖分和构计算程序，惰从其组成上士来说，主要袜由数据文件么准备、单元即剖分、求解滴、输出结果刘组成，没有印所谓前后处馆理功能；从碗其功能上来得说，解决问列题的范围狭争窄、规模也脑小，节点一穗般只能限制捕在1000塔0个以下。餐这些特点使矮得其对用户羽的要求很高争，不但要熟糟悉有限元方牧法及其应用服，还要对其昏数据格式等榨有深入的了崭解。数据文物件准备工作尾相当庞大，沉对平面问题偶尚还简单，浸若对三维问贝题数据文件杠不能不说是耳令人头疼的肥事。输入数吨据得不到及石时的检查，活从而导致数燥据有误，可猪能造成工作身中断甚至无标法进行下去订。浊本扔次课题旷以ANSY浓S软件为平灶台，抛开单胞兵作战从头任做起开发程撞序的做法，变通过基于通敞用的三维设慌计软件AN刚SYS，利钓用APDL衔参数化有限质元分析技术倚建立整体三裁维模型，模宅拟拱坝在实约际运行状态怠下的力学行肆为，并对坝瘦体的应力状煌态进行计算户，在计算中复考虑水压力育、淤沙压力绢、温度场、忍渗流场、重绕力场作用，写并应用于酉前阳胜利水库丘除险加固中残双曲拱坝的据应力分析。愧重庆市酉阳弃县胜利水库架属长江水系锐龙潭河，位斑于重庆市酉痕阳县桃鱼镇屑里泉村，该蜂水库是一座寨以灌溉为主津，兼有发电阶、供水、防究洪等综合利展用功能的中券型水库，粪积水面积1程5．踪5圣km兆2曲，水库总库租容1140铜万m痕3吧。酉阳胜利武水库大坝建拍于1974轻年，为圆弧菌拱坝，最大纺坝高55．者17m蚀，坝顶宽2搬．仓5m名，坝顶弦长怒141m独，弧长辛169m矿，坝底厚晕23m繁。经多年运眼行后水库不着能正常蓄水焰，一直限蓄涝，被水利部巾大坝安全鉴彻定中心鉴定衣为三类坝。涌本次课题运逮用ANSY追S软件，对先酉阳水库大描坝进行有限竖元模拟分析肤，建立大坝贴模型，附加街荷载，得到绒变形分析成芒果、应力分动析成果，并榨依据现行水谜利规范，复横核现有大坝蓝结构能否在击各种运行工依况下满足安膏全蓄水要求贡，为水库枢喜纽大坝的除浩险加固方案奴提供技术支搂撑。奴同时惨利用ANS循YS软件包候提供的二次赵开发技术进刺行拱坝问题筐求解，开发板具有水工特荣色的蛾比较通用的剪参数化奋拱坝仿真分弯析系统，减瓦少了开发成愉本，避开了暖繁琐的代码茶编写和算法梅设计，为今逃后ANSY盈S在拱坝仿麻真分析中的习广泛应用奠驼定了基础，舍进行了有益镜的探索。肚2授晌基于ANS叫YS的拱坝居有限元床几何实体蔽仿真建模明2侮.滑1晴瓣有限元方法昌简介床有限元分析傍（FEA，辟Finit捷eEle绕ment昆Analy坝sis）利怜用数学近似萌的方法对真堡实花物理系统破（几何和载旅荷工况）进此行模拟。还陈利用简单而送又相互作用沟的元素，即围单元，就可耐以用有限数以量的未知量拴去逼近无限张未知量的真英实系统。缓有限元分析偿是用较简单户的问题代替称复杂问题后带再求解。它咐将求解域看专成是由许多急称为有限元草的小的互连牌子域组成，迎对每一单元挂假定一个合落适的(较简嫩单的）近似莲解，然后推碰导求解这个侧域总的满足种条件(如结葡构的平衡条列件），从而特得到问题的根解。这个解砌不是准确解逝，而是近似迁解，因为实命际问题被较煤简单的问题狭所代替。由丈于大多数实乐际问题难以爬得到准确解障，而有限元陡不仅计算精疫度高，而且难能适应各种栽复杂形状，宅因而成为行瑞之有效的工氧程分析手段只。死有限元是那林些集合在一忆起能够表示键实际连续域附的离散单元压。有限元的紧概念早在几忧个世纪前就励已产生并得趟到了应用，孤例如用多边放形（有限个为直线单元）县逼近圆来求序得圆的周长化，但作为一误种方法而被然提出，则是商最近的事。渐有限元法最疮初被称为宣矩阵馒近似方法，津应用于航空贴器的结构强怎度计算，并阅由于其方便绝性、实用性狼和有效性而奴引起从事盖力学痕研究的科学辫家的浓厚兴顶趣。经过短趴短数十年的对努力，随着附计算机技术此的快速发展戒和普及，有押限元方法迅抢速从结构工擦程强度分析好计算扩展到湿几乎所有的哀科学技术领衣域，成为一等种丰富多彩再、应用广泛拒并且实用高竟效的辱数值分析棍方法。牵有限元方法谨与其他求解侮边值问题近悲似方法的根沉本区别在于嗽它的近似性既仅限于相对扫小的子域中鲁。20世纪耻60年代初反首次提出结拼构力学计算悬有限元概念减的随克拉夫胶（Clou歉gh）教授古形象地将其棒描绘为：“健有限元法=之Rayle棚ighR炊itz法+柴分片函数”哈，即有限元唤法是Ray污leigh贸Ritz僻法的一种局枣部化情况。歇不同于求解赏（往往是困驱难的）满足翅整个定义域谷边界条件的杏允许函数的湾Rayle位ighR殊itz法，爸有限元法将真函数定义在哑简单几何形耍状（如二维悦问题中的三滨角形或任意雕四边形）的营单元域上（者分片函数）贴，且不考虑递整个定义域宁的复杂边界贵条件，这是反有限元法优圣于其他近似猎方法的原因痕之一。堵对于不同物秃理性质和数妖学模型的问段题，有限元仙求解法的基夸本步骤是相醒同的，只是培具体公式推绸导和运算求哭解不同。有呜限元求解问锅题的基本步毕骤通常为：染第一步：问昨题及求解域级定义：根据幸实际问题近差似确定求解晌域的物理性稻质和几何区柿域。早第二步：求拆解域离散化率：将求解域横近似为具有透不同有限大柴小和形状且棵彼此相连的缩有限个单元旨组成的离散轻域，习惯上剃称为有限元筒网络划分。暖显然单元越坦小（网格越促细）则离散册域的近似程萝度越好，计武算结果也越身精确，但计僵算量及误差割都将增大，亭因此求解域社的离散化是惜有限元法的蒸核心技术之辞一。睛第三步：确久定状态变量疏及控制方法呀：一个具体努的物理问题鬼通常可以用撒一组包含问秃题状态变量疑边界条件的始微分方程式评表示，为适耐合有限元求替解，通常将拍微分方程化配为等价的泛读函形式。既第四步：单嫩元推导：对侄单元构造一名个适合的近例似解，即推餐导有限单元久的列式，其撇中包括选择邻合理的单元漫坐标系，建菌立单元试函作数，以某种朱方法给出单认元各状态变本量的离散关曲系，从而形校成咏单元矩阵弹（结构力学进中称刚度阵铺或柔度阵）欺。括为保证问题旦求解的收敛椒性，单元推泰导有许多原剃则要遵循。虫对工程应慨用而言，重悉要的是应注搅意每一种单犯元的解题性管能与约束。件例如，单元区形状应以规零则为好，畸值形时不仅精服度低，而且节有缺秩的危幅险，将导致却无法求解。煎第五步：总仇装求解：将冻单元总装形遵成离散域的薄总探矩阵方程浅（联合方程恭组），反映劫对近似求解膜域的离散域准的要求，即屑单元函数的愚连续性要满直足一定的连选续条件。总冈装是在相邻蹈单元结点进覆行，状态变商量及其导数日（可能的话纹）连续性建跃立在结点处呜。孤第六步：联方立方程组求就解和结果解洲释：有限元温法最终导致胳联立方程组府。联立方程范组的求解可超用直接法、聚迭代法和随窝机法。求解菜结果是单元鲜结点处状态用变量的近似配值。对于计沿算结果的质蚂量，将通过替与设计准则参提供的允许找值比较来评歌价并确定是华否需要重复芽计算。赚简言之，有么限元分析可肝分成三个阶怠段，前置处敬理、计算求街解和后置处睡理。前置处叼理是建立有稀限元模型，戒完成单元行网格民划分；后置程处理则是采遣集处理分析扬结果，使用素户能简便提秧取信息，了喷解计算结果死。厉近一、二十值年来,随着怨计算机软硬数件技术的日善新月异和图友形图像处理咬技术的发展琴,有限元分避析技术得到董了飞速的发洁展,大量优旺秀的有限元阴商业软件如傅ANSYS诚、ABAQ落US、MS章C.Mar旬c、MSC世.Nast叙ran、S挺UPERS构等得到了广换泛应用。这具些软件具有座强大的前后扇处理功能,贫使得用户更医加容易学习野和掌握有限恐元分析技术闷。溪纵观当今国苍际上CAE垒软件细的发展情况嫂，可以看出博有限元分析滩方法养的一些发展耕趋势：更1、与CA阀D软件的无钥缝集成掩当今婆有限元分析未软件鄙的一个发展铸趋势是与通拜用CAD软我件的集成使身用，即在用狭CAD软件碍完成部件和适零件的造型苹设计后，能利直接将模型显传送到CA绩E软件中进榜行有限元网沃格划分并进朝行分析计算仆，如果分析扶的结果不满窃足设计要求千则重新进行碍设计和分析词，直到满意速为止，从而蓝极大地提高斩了设计水平像和效率。为炕了满足工程后师快捷地解燃决复杂工程置问题的要求彻，许多商业嘱化有限元分窝析软件都开粒发了和著名游的CAD软味件（例如密Pro/E蜜NGINE烈ER叙、Unig饱raphi悟cs、可Solid粒Edge、岸Solid长Works夸、IDEA截S、Ben清tley和常AutoC盘AD等）的搁接口。谢2、更为强胆大的网格处言理能力绞有限元法求摄解问题的基洁本过程主要胁包括：分析珠对象的离散厨化、有限元傍求解、计算躬结果的后处够理三部分。层由于结构离浆散后的网格按质量直接影蔑响到求解时简间及求解结许果的正确性贼与否，各软打件开发商都闹加大了其在庄网格处理方粗面的投入，阿使网格生成蔬的质量和效源率都有了很长大的提高，雄但在有些方茶面却一直没粒有得到改进朴，如对三维菠实体模型进丸行自动六面些体网格划分四和根据求解璃结果对模型志进行岔自适应网格骑划分，除了惰个别商业洪软件片如ANSY冤S祸做得较好外蔬，大多数分格析软件仍然轻没有此功能狮。自动六面明体网格划分暮是指对三维常实体模型程堵序能自动的梅划分出六面孔体网格单元陵，大多数软宣件都能采用型映射、拖拉甚、扫略等功港能生成六面秩体单元，但乖这些功能都需只能对简单贿规则模型适柄用，对于复损杂的三维模捐型则只能采玩用自动四面越体网格划分虫技术生成四铺面体单元。尊对于四面体栗单元，如果睛不使用中间改节点，在很地多问题中将龙会产生不正悠确的结果，刘如果使用中寄间节点将会植引起求解时急间、收敛速沿度等方面的唯一系列问题巴。自适应性阳网格划分是堂指在现有网余格基础上，拌根据有限元式计算结果估杏计计算误差移、重新划分火网格和再计蓝算的一个循皱环过程。对划于许多工程浪实际问题，孕在整个求解朋过程中，模瘦型的某些区堂域将会产生牧很大的应变辩，引起单元酸畸变，从而扔导致求解不餐能进行下去滔或求解结果采不正确，因箭此必须进行肤网格自动重悲划分。搅自适应网格年往往是许多追工程问题如萝裂纹扩展、邮薄板成形等胞大应变分析挽的必要条件偏。者3、由求解荣线性问题发首展到求解非却线性问题栽随着科学技困术的发展，姿线性理论已箭经远远不能行满足设计的挽要求，许多乞工程问题如盯材料的破坏敲与失效、裂绸纹扩展等仅岔靠线性理论干根本不能解击决，必须进遭行非线性分交析求解，例冶如薄板成形即就要求同时蝇考虑结构的舞大位移、大社应变（几何赔非线性）和赞塑性（材料乎非线性）；凑而对塑料、伙橡胶、陶瓷罩、混凝土及荒岩土等材料蜘进行分析或效需考虑材唉料的塑性、习蠕变效应时旦则必须考虑斜材料非线性找。众所周知旧，非线性问胀题的求解是分很复杂的，胖它不仅涉及郑到很多专门舅的数学问题霉，还必须掌驳握一定的理节论知识和求间解技巧，学凤习起来也较荒为困难。为砖此国外一些鸡公司花费了受大量的人力载和物力开发杜非线性求解耍分析软件，效如牲ANSYS之、料ADINA衰、ABAQ匪US等。它削们的共同特盏点是具有高厘效的非线性箱求解器、丰眉富而实用的士非线性材料分库。爱4、由单一拼结构场求解绕发展到耦合趋场问题的求喂解句有限元分析钟方法治最早应用于恒航空航天领干域，主要用毙来求解线性权结构问题，盾实践证明这掠是一种非常奔有效的必数值分析生方法。而且碌从理论上也凝已经证明，客只要用于离浇散求解对象暴的单元足够许小，所得的惧解就可足够父逼近于精确涂值。用于求注解结构线性什问题的有限逮元方法和软寄件已经比较职成熟，发展透方向是结构肯非线性、流鹿体动力学和愧耦合场问题捐的求解。例蕉如由于摩擦铜接触而产生哈的热问题，幻金属成形时您由于塑性功虎而产生的热展问题,需要胃结构场和温贩度场的有限总元分析结果工交叉迭代求油解，即"热屡力耦合"的技问题。当妈流体在弯管梨中流动时，跨流体压力会蔑使弯管产生净变形，而管屑的变形又反乱过来影响到鹅流体的流动衔……这就需吃要对结构场伐和流场的有麦限元分析结斑果交叉迭代违求解，即界所谓"流固稿耦合"的问涌题。由于有剑限元的应用乎越来越深入字，人们关注押的问题越来沈越复杂，耦框合场的求解携必定成为C柿AE软件的鲜发展方向。蓬5、程序面勺向用户的开诸放性裤随着商业化悠的提高，各磨软件开发商雾为了扩大自吉己的市场份勉额，满足用遥户的需求，冈在软件的功赢能、易用性驴等方面花费险了大量的投码资，但由于走用户的要求据千差万别，叉不管他们坑怎样努力也杜不可能满足网所有用户的严要求，因此窗必须给用户舰一个开放的秘环境，允许史用户根据自壮己的实际情惩况对软件进符行扩充，包灿括用户自定透义单元特性哈、用户自定斩义材料本构魔（结构本构铺、热本构、标流体本构）挪、用户自定木义流场边界伯条件、用户泰自定义结构宰断裂判据和温裂纹扩展规捷律等等。糕2粉.竹2探恼有限元软件消ANSYS疼简介盯ANSYS惊软件饱是融结构、薪流体、电场手、磁场、声逝场分析于一北体的大型通耍用勒有限元分析宇软件霜。由世界上煮最大的贩有限元分析阳软件槽公司之一的顿美国期ANSYS鸽开发，它能挥与多数CA忠D掠软件接口别，实现数据辽的共享和交李换，如Pr构o/Eng盯ineer码,NAS练TRAN,域Alog茫or,I刃－DEAS肤,Aut风oCAD等广，是现代纸产品设计中原的高级CA艇E工具之一笼。络CAE的技贸术种类有很乔多，其中包悠括填有限元法践(FEM,询即Fini肺teEl久ement咏Meth窜od),图边界元法红(BEM,提即Boun旺dary贡Eleme绸ntMe羡thod)刻，床有限差分法烤(FDM,皮即Fini凉teDi劫ffere寨nceE秀lemen阶tMet喷hod)等亏。每一种方泛法各有其应觉用的领域，沫而其中须有限元法胃应用的领域衰越来越广，挂现已应用于项结构力学、认结构动力学睛、热力学、烛流体力学、演电路学、电尿磁学等。货ANSYS笑有限元冻软件交包是一个多耗用途的划有限元法删计算机设计碎程序，可以央用来求解结扭构、流体、良电力、电磁仇场及碰撞等吩问题。因此宵它可应用于酒以下工业领芝域：航空记航天、汽车舟工业、生物屯医学、桥梁棒、的土木、水利序、砍建筑、电子卷产品、重型烘机械、获微机电系统返、运动器械像等。婶软件孩主要包括三朴个部分：前节处理模块，抖分析计算模炊块和后处理刻模块。孕前处理模块煤提供了一个册强大的实体丸建模及蒙网格沟划分工具，槐用户可以方姿便地构造有隶限元模型虹。在蛇实体建模惑方面，胜ANSYS富程序提供了男两种实体建优模方法：自增顶向下与自保底向上。自祥顶向下进行梦实体建模时趋，用户定义说一个模型的援最高级图元僵，如球、狸棱柱，称为许基元，程序篮则自动定义醉相关的面、她线及关键点物。用户利用叮这些高级图嚼元直接构造这几何模型，略如二维的圆劣和矩形以及兔三维的块植、球、锥和锻柱。无论使旅用自顶向下矮还是自底向等上方法建模仇，用户均能踪使用优布尔都运算来组合腾数据集，从喷而“雕塑出喘”一个实体钟模型。妻ANS他YS程序提逗供了完整的糠布尔倒运算，诸如狠相加、体相减沈、相交、分罪割、粘结和熔重叠。在创很建复杂实体朵模型时，对难线、面、体绞、基元的径布尔座操作能减闲少相当可观绣的建模工作陈量。ANS剖YS程序还康提供了拖拉剑、延伸、旋仆转、移动、四延伸和拷贝烫实体模型图纽元的功能。冷附加的功能锁还包括圆弧允构造、切线裤构造、通过栽拖拉与旋转梯生成面和体吸、线与面的脂自动相交运绿算、自动倒渗角生成、用悠于这网格蝴划分的硬点广的建立、移棕动、拷贝和场删除。自没底向上进行摩实体建模时猛，用户从最宣低级的图元耳向上构造模顶型，即：用琴户首先定义投关键点，然房后依次是相树关的线、面秒、体。蔬在网格划分矛方面，尼ANSYS窜程序提供了劲使用便捷、肚高质量的对恐CAD模型美进行反网格怜划分的功能合。包括四种慎网格豆划分方法：铜延伸划分、喉映像划分、愁自由划分和早自适应划分塘。延伸盛网格成划分可将一遇个二维网格原延伸成一个魂三维网格。债映像锤网格京划分允许用鼻户将几何模腰型分解成简铺单的几部分缘，然后选择星合适的单元及属性和网格是控制，生成豪映像网格。蒙ANSYS组程序的自由烦网格触划分器功能捡是十分强大糖的，可对复句杂模型直接毯划分，避免欣了用户对各篮个部分分别福划分然后进嫂行组装时各扬部分网格不战匹配带来的子麻烦。芒自适应网格透划分是在生梢成了具有边姓界条件的实豪体模型以后承，用户指示稍程序自动地诵生成有限元婚网格，分析痒、估计网格键的离散误差吧，然后重新陷定义网格大林小，再次分隶析计算、估忽计网格的离石散误差，直惯至误差低于咏用户定义的充值或达到用傍户定义的求丸解次数。际分析计算模劣块包括息结构分析赞（可进行线虫性分析、非攻线性分析和丝高度非线性卵分析）、流泻体动力学分胀析、电磁场乘分析、声场作分析、压电唉分析以及多猾物理场的耦派合分析，可虫模拟多种物盒理介质的相盆互作用，具镰有灵敏度分构析及优化分赔析能力；铲后处理模块门可将计算结块果以彩色等翼值线显示、陪梯度显示、昌矢量显示、僻粒子流迹显织示、立体切盟片显示、透感明及半透明倡显示（可看若到结构内部基）等图形方仗式显示出来堵，也可将计撒算结果以图唤表、没曲线科形式显示或妇输出。丙软件混提供了吨2广00种以上们的单元类型犯，用来模拟送工程中的各誉种结构和材己料。动有限元分析狗软件ANS桥YS在世界笔范围内已成值为土木建筑奔行业CAE驼仿真分析软遮件的主流。贸在国内，A讲NSYS是遵第一个通过社中国压力容泛器标准化技艰术委员会认特证并在国务寄院十七个部舌委推广使用宫，是唯一一骑个被中国铁驳路机车车辆邀总公司选定贸为实现渔“唐三上卵”夺目标的有限指元分析软件耍。三峡工程葡、二滩电站慎、龙首电站睁大坝、国家谢大剧院和上啊海金茂大厦筐等工程都是谎利用了AN哑SYS软件冈进行有限元笨仿真分析。说2垫.生3慰基于AN贸SYS的A呼PDL技术候特点贤APDL的计全称是AN悔SYSP庭arame饥tric比Desig屡nLan狐guage急(ANS照YS鸡参数化设计美语言）。可抱用来完成一楼些通用性强忘的任务，也骄可以用于根烂据来建立模避型，不仅是歉优化设计和冈自适应网格挨划分等AN虎SYS经典签特性的实现胳基础，也为置日常分析提谷供了便利。袖有限元分析冲的标准过程披包括：定义矛模型及其载顽荷、求解和耕解释结果，忆假如求解结再果表明有必直要修改设计趁，那么就必钟须改变模型间的几何结构膝或载荷并重鸟复上述步骤降。特别是当仍模型较复杂张或修改较多加时，这个过无程可能很昂脱贵和浪费时啄间。APD湾L用建立智举能分析的手趟段为用户提节供了自动完全成上述循环秃的功能，也谷就是说，程执序的输入可裙设定为根据老指定的函数失、变量及选定出的分析标样准作决定。负它允许复杂卡的数据输入知，使用户对膀任何设计或姑分析属性有澡控制权，例涉如，几何尺连寸、材料、棋边界条件和谣网格泥密度等，扩雕展了传统有留限元分析范彩围以外的能招力，并扩充绘了更高级运机算包括灵敏途度研究、零狡件参数化建抛模、设计修惭改及设计优割化。为用户岗控制任何复梢杂计算的过分程提供了极颤大的方便。袄它实质上由啄类似于FO委RTRAN发的敌程序设计语煤言低部分和10紧00多条A猴NSYS命窑令组成。其啊中，组程序设计语盖言活部分与其它撞编程语言一柄样，具有参娱数、敞数组凉表达式矛、函数、华流程控制喘（循环与分器支）、重复种执行命令、蝴缩写、宏以廊及霜用户程序绣等。标准的灯ANSYS蠢程序运行是普由1000薯多条命令驱咏动的，这些全命令可以写奖进晓程序设计语梯言栋编写的程序脊，命令的参勾数可以赋确甩定值，也可最以通过逆表达式张的结果或参斗数的方式进生行赋值。从咏ANSYS顺命令的功能煤上讲，它们辣分别对应A愧NSYS分田析过程中的袖定义几何模油型、划分单华元双网格劲、材料定义扒、添加载荷捎和边界条件串、控制和执蔬行求解和后畅处理计算结饱果等指令。覆用户可以利狮用味程序设计语晃言有将ANSY倍S命令组织平起来，编写烛出参数化的势用户程序，颂从而实现有环限元分析的嘱全过程，即锹建立参数化浊的CAD模撑型、参数化陈的砍网格缝划分与控制耍、参数化的览材料定义、孔参数化的载挂荷和边界条汪件定义、参盾数化的分析届控制和求解帽以及参数化仰的后处理。破宏是具有某迷种特殊功能寸的命令组合卸，实质上是帐参数化的用罢户小程序，再可以当作A监NSYS的肺命令处理，厚可以有输入元参数或没有凭输入参数。俗缩写是某条胸命令或宏的垂替代名称，唉它与被替代子命令或宏存缺在一一对应晓的关系，在锹ANSYS冠中二者是完兆全等同的，岭但缩写更符倒合用户习惯醉，更易于记晓忆，减少敲菊击键盘的次拒数。葛APDL扩寨展了传统有屡限元分析范瞎围之外的能酬力，提供了惹建立标准化粥零件库、序挤列化分析、斯设计修改、吸设计优化以番及更高级的谊数据分析处室理能力。扣2指.冶4应用A偶PDL实现敌拱坝眯几何实体固的露仿真繁建模跟建模在AN说SYS系统围中包括广义再与狭义两层氧含义，广义钻模型包括实阀体模型和在庆载荷与边界诞条件下的有桨限元模型，摄狭义则仅仅亲指建立的实伍体模型与有旱限元模型。咸本章所阐述葬的拱坝有限告元仿真建模土主要是指对恐拱坝溉狭义的透有限元砌实体模型轰而言，在载失荷与边界条号件下的有限变元模型及其扫计算求解分腾析将在第三壶章详细阐述隆。刻在述ANSYS钞中套建立实体模绪型的两种途给径季为：里恶(1)渔利用ANS藏YS自带的她实体建模功汇能创建实体克建模：牲迹(2)著利用ANS琴YS与其他文软件接口导递入其他二维秀或三维软件园所建立的实截体模型。该同实体建模的园三种方式闷为：目竿刘(1)自底顽向上的实体延建模永由建鞋立最低图元茶对象的点到泥最高图元对季象的体，即参先定义实体下各顶点的关标键点，再通落过关键点连仁成线，然后氏由线组合成炒面，最后由炒面组合成体插。狱(2漠)自顶向下谨的实体建模偿直接隔建立最高图税元对象，其妥对应的较低存图元面、线催和关键点同属时被创建。捆(3遮)混合法自姥底向上和自咳顶向下的实衔体建模食阿请可根据个人贫习惯采用混徐合法建模，沾但应该考虑诞要获得什么撞样的有限元鼻模型，即在台网格划分时仿采用自由网弹格划分或映它射网格划分唇。自由网格纤划分时，实浊体模型的建雨立比较框简单艰，只要所有破的面或体能苹接合成一体样就可以：映遗射网格划分遍时，平面结橡构一定要四棵边形或三边哀形的面相接乖而成。驻拱坝欣的形体评是一个变厚钳度、变曲率叨而边界条件惨又很复杂的颂空间壳体结刺构肾。在不同的杜地质地形情耕况下，采用桃的拱坝型式滴往往差异较哑大。即使对仇于同一坝址炊处的拱坝，朋由于其融在运行中会召受到水压力巴、淤沙压力倾、温度场、拥渗流场、重船力场等的相呢互作用，在饿各种不同的密运行工况，新如水位的变炕化，温度的快变化等都会猾引起拱坝坝志体内的应力调重分布。旷建立起拱坝议的专三维漂APDL参饰数化程序设华计语言，可绞以对各种不扫同形体的大虽坝，在各种余不同工况下脖的身受力情况较秘为方便的仿澡真分析。坑为实现拱坝席的参数化建嫁模，本文在月建模时采取元的途径主要郊为前面所述现的慧利用ANS愤YS自带的栋实体建模功表能创建实体据建模博，采用的建烧模方式主要跳为自底向上训的实体建模铃。正实现支拱坝参数化祥建模首先要劣提取出可以欺描述拱坝体增型特征的各盼项参数,这鞭些参数包括宁结构图形参宽数和规则参众数。结构图既形参数包括数关键点的坐赢标,线段的揉长度和剖分翅信息等控制凡点和控制尺建寸烘；炎规则参数可举以是一种关财系的描述,斩也可以是一轻个计算公式断,甚至是一盾个复杂的方隆程组,或自阴然语言、逻各辑规兼则等,例如袭拱坝的曲线够方程等。固结构对象的愈参数化一般愈具有以下特态性:毫·恒必须具有通羞用性,能适守用于某种类跑型的不同结残构;萍·增能根据用户菌指定的参数驳,可以对结丽构进行准确尝的定位;港·俩能对所设计粗的部件进行寿组装;监·脸能使用结构毯形状参数、彩位置参数、闭关系描述性宪参数、材料长参数和施工绒要求参数等矮,并建立统哗一的关系数妖据库。债描述拱坝体蜘形既可采用坦函数型几何若模型,也可小采用离散型榆几何模型。绪前者较为实寻用,易被设创计人员所接单受,所以目振前在拱坝体乱形优化设计阁中应用较多尿。用函数型暑几何模型描刷述的拱坝体副形,其上下牌游表面既可昂以是单曲的厕,也可以是校双曲的:其暂水平轴线可语以是下述几书种曲线之一隐:单心圆、蚀多心圆、抛迅物线、椭圆池、双曲线或顶对数螺线等遗。剧页剩拱冠梁断面渡的几何描述厘：圾取河谷可利稼用基岩剖面足线的最低点野作为拱异冠当梁位置，河辣谷底部较平绍坦时取在谷俩底的中心巩部位慕。笋1.蒸选择拱冠梁正厚度苹顶拱厚度陕主要依据坝芝高、拱坝结脆构布置、坝导顶交通等条伍件研究选取姥，顶拱厚度观一般大于锦3.0m婆。添底部厚度姐可按下式估胜计：胞式中L老——负拱坝的坝顶俯弧长盖地基均匀、遗V形河谷可播选小值，地面基较差、寿U孤形河谷可选拍大值。通常付在拱坝形状帽初步拟定并展做应力分析胞后，再对拱五冠底部厚度排作进一步调诱整。常2.临选择拱冠梁慢体型闹拱冠梁剖面剑通常先拟定算上游面积曲似线，其形式桶有：圆弧或逼圆弧组合、仅二次曲线、演三次曲线（涉适用于双曲弃拱坝）；直伯线或折线（廊适用于单曲壮拱坝）。赢当上、下游减坝面为曲线村时，拱冠梁加剖面形式主且要受坝面连卡续条件及坝礼体纵向曲率湾因素的控制贪，坝面平顺挽连续是坝体荡获得较好应扩力分析条件浊的重要保证逝。氏结合各层水吊平拱拱座位流置和中心角包，合理设置毙断面曲率，恋以改善大坝怒施工与运行仿过程中的应欧力状态，通禽常坝面倒悬豪度不宜超过脑0.3，自扎重拉应力不答宜超过0.仰5MPa。症拱坝施工中嘴，横缝封拱假灌浆要求坝懒段混凝土具添有足够的龄韵期以及控温芽要求，不可禁避免要出现项高悬臂坝块挑。如果坝体长纵向曲率过嘱大，坝面会捞因自重产生础较大拉应力拿，容易在坝产面产生水平自裂缝。再直线或折线咏型拱冠梁剖诱面。上游坝昂面直线、拱损冠梁厚度和本下游坝面直贼线如图蜂2.4蔬—磁1所示。掩图2.4-芽1低铅直线拱冠斥梁剖面布置材拱冠梁上游易坝面直线跃:可将拱冠衬梁上游坝面蔬拟定为一个政或多个直线立段，以两个肤直线段为例摸，上游坝面资线方程为圣拱冠梁下游汇坝面直线敞：拱冠梁下器游坝面线可庆拟定为一个移直线段（两棵个控制高程奔）、两个直拴线段（三个垃控制高程）么等，两个直姓线段下游坝这面线方程为易：蔽拱冠梁厚度哗Tc(z)动：根据拱冠绘梁上、下游慨坝面直线Y俘u(z)、案Yu(z)坐即可确定拱铸冠梁厚度沿刊坝高的变化誉：窃圆弧形拱冠犯梁剖面。当趟拱冠梁上游伤面采用圆弧喇时，只需确饰定坝顶、坝摊底和中部任反一处的坝厚岁，即可得到虫下游面三点欣，并通过此收三点作一圆肝弧，定出下情游面。当拱嫂冠梁上游面啦采用不同圆月心和半径的误两段圆弧组纯成时，可按惠设计拟定的榨β护1欧、虫β裂2吵、料β原3坏三个参数拟胶定上游面曲阵线，如图批2.4籍—扶2所示棒。液图2.4-介2柱β歌1边、碎β栋2她、绸β祝3度三个参数拟赶定垄的拱坝极上游面曲线球其中：A为困拱冠梁最上防游点；C为脆拱冠梁与顶茶拱上梁侧交钉点，康β全1咽为AC水平乌投影长度与渡坝高H的比蛛值，寨β切2正为坝踵B和斯坝轴线投影术D间的水平义距离与坝厚洁Tb的比值梨。劣拱冠梁上游君由CA和A穴B两段圆弧控组成，其圆要心均位于通史过切点A的炒水平面上。宏令圆弧CA兼和AB的半熊径分别为R鬼1和R2，友则R1、R旋2可分别用垮式掀求得：祖A点处的坝灾厚Ta可先狮根据该点高屯程两岸拱座朵岩面间的直代线距离La森按下式献初步估算：岛然后，将坝书厚和高程点图绘关系和曲抚线，如有不悠够平顺之处贱，需适当调学整Ta和T欢b，得出下牵游面的三点毙，通过此三巧点作一圆弧残，即得下游康面曲线。破当上游面采零用二次抛物侨线时，可由败β侨1第、浓β断2话两个参数按焰以下栽曲线方程式擦确定其形状辉：充坝顶C、切顷点A、坝底帮B三点处坝绞厚的估算同才上。坝厚T廉和该点在坝狐顶以下的高合度y的关系赤也可用太以下恢二次抛物线谅表示：备渔根据C、A剩、B三点坝盟厚即可确定脚三个待定系萌数立α咐1阔、谜α博2秤、或α亲3践，然后将坝世厚T与高度雷z的关系、两上游坝面横着坐标y和高畏度z的关系剪相应叠加，虑可得出下游穗坝面曲线的丘方程式。席三次多项式躲拱冠梁剖面皱。三次多项刑式定义拱冠退梁剖面包括涉拟定上游坝辰面曲线Yc哪(z)和下在游坝面曲线肃Yd(z)殖径，恳如图收2.4攀—菌3播所示。也图2.4-鉴3抵三次多项式盘拱冠梁剖面留剖面布置况拱冠梁上游劲坝面曲线、俯拱冠梁厚度渔等参数沿高咸程的变化，旁应使整个上击下游坝面保衰持处处连续盲，使坝体获唉得较好的应据力分析。依应拱冠梁上游钩坝面曲线Y泰u(z)：宫拱冠梁上游哗坝面曲线为丹三次多项式递（4个控制吴高程）武将内除跌坝顶高程（昏Z寸0膀=0.00盟）之外的其钟余3个控制岂高程Z丛1为和Yu找i领(i=1,唱2,3)代寿入矛上凭式，即可求搬得各待定系肥数。鲜A点至坝顶槐的距离H胀0稻由下述方程曲求得：妨A点至坝轴侧线的距离为桂坝面各点的战倒悬度为乖一般来说，暂=(0.5伟5迷~萝0.80)困H;榨=(0.1昆2姓~弃0.20)劳H，最大倒焰悬度若脆≦复3，若仅不能满足要求求，则需要功重新拟定上令游坝面曲线沾。挑上游坝面曲覆线除上述方干法拟定外，宗也可以由A存点的位置（负）、A点处炼和最大倒悬淋度仔（B处）这分三点已知条售件来确定。支2）靠拱冠梁厚度销：拱冠梁厚光度沿坝高的坚变化曲线亦滥拟定为三次清多项式：迟式中爬——拴拱冠剖面的榴坝顶厚度；检、铜、严―—墨对应于钳、哀、延处的坝体厚肌度；漆、桐、搅——板待定系数。搂3)孕拱冠梁下游总坝面曲线恼：通过拱冠棚梁上游坝面寒曲线爱和坝厚曲线且，按如图碧2.4允-恢3所示的坐齿标系即可确武定拱冠梁下济游坝面曲线渗：照拱冠梁剖面诞确定后，任糟一高程水平垄拱圈上、下连有曲线和拱俘轴线的顶点馅也随之确定赴。走颗芽确定水平拱敲圈艘拱圈线型除肚通常采用的药单心圆拱外谢，为适应河且谷形状，改篮善稳定与应凭力状况，也苹可采用多心陵圆拱、椭圆尿拱、抛物线派拱、对数螺搬旋线拱等变钟曲率拱型，铅通常自拱冠怎向拱端曲率钻逐渐减小，适但有时在两箭岸坝肩稳定伏充分可靠的剥情况下，为润节省工程量附，也可自拱匙冠向拱端增福加曲率。列河谷狭窄、街左右岸对称画的坝址，单终心圆拱即可荐适用。当河委谷不对称以裤致单心圆拱听不能适应时勇，若基岩良冠好，一般可淡用双心拱，著这种拱圈的税左右侧有不贪同的圆心轨广迹（靠陡案托一侧的拱用横较大的曲率后），但这两躬条圆心轨迹班线均应位于舍拱坝基准面边上；两岸地关形不对称或拆地基变形或侨模量差异较丈大时，一般粥采用非圆形借变厚的二次扫曲线，在拱采圈左右半拱宽采用不同的择曲率，以不撤对称的布置医求得相对合洗理的应力分游布条件。锹对宽河谷，烂除单心圆拱个外，还可采督用三心拱、炭椭圆拱或其必他适合的二播次曲线拱形伙，以取得更之好的结构性裳能。真目前国内外体拱圈线型多孟采用变厚度帆、非圆形的禽拱面剖面，裕如三心圆、押抛物线、对怀数螺旋线、抗椭圆、统一怨二次曲线和致混合曲线等作，以适应不吊对称的地形叔地质条件。歇1.猴拱圈对基本线型尘为了确定拱症坝体型的几裕何形状，首抢先需要确定柿拱冠梁剖面陡沿高程的中栏心线位置及邀相应坝体厚败度。拱冠梁激中心线坐标嫩用Y姻c星(z)表示握。便拱坝坐标系螺坐标轴方向躁规定如图顺2.4加-任4岁所示，拱圈取中任意截面海的厚度T诉可由底下庙式斑中之一来确冶定：侧氧图2.4-忘4道拱坝基本体晋型及坐标轴逮约定示意图激式中赠——派拱坝处截面乐的厚度；续——稼拱冠与拱端达处截面的厚闲度（森或牧）；尖S斯——堵所求厚度截约面处到拱冠贵的拱轴线弧术长；炼——偿拱端到拱冠污的拱轴线弧秋长；拉——拾拱段处的中坑心角；垂——峡所求厚度截善面处的中心京角；胀——蛾厚度的变化量指数，通常僵取糠=2；犬上式中的第植4忍个公式通常寒为多心圆拱凶型任意截面犬厚度T的计结算公式。牧（1）抛物亭线拱坝。拱门圈拱轴线方称程为贤式中R扰——表抛物线在拱究冠处的左拱高圈或右拱圈仗的曲率半径服。违（涝2肥）密对数螺旋线辽拱坝。拱圈店拱轴线方程低为灾式中学锯β——朱对数螺旋线晋的极切角；锯——行拱冠处的极旨半径；游、竭——恋极坐标戏中庄的坐标极半歌径和极角推。卡（睁3饼）宁椭圆拱坝。伏拱圈拱轴线崇方程为乌式中农设——阻椭圆在x轴歉的半径；哈——测椭圆在y轴特的半径葬。脂（彩4胶）享统一二次曲疲线拱坝。拱链圈拱轴线方饭程为戏式中码您A奸——早线型系数；亩B排——孕与拱冠梁处袋曲率半径倍泄数有关的参须数。留当A=0时绞，将上帜式退化为抛萌物线形式；靠当A=1时言，退化为圆角；当A>0逝且A掀≠还1时，退化巾为椭圆；当两A<0时，昼退化为双曲亭线。号抛物线、圆司（单心圆、阿双心圆）、来椭圆、双曲津线拱坝均是奶统一二次曲沿线拱坝的子育集。业三心圆拱坝星。三心圆拱满坝中部等厚练圆拱相应于歇拱冠梁是对鸣称的，左边最拱与右边拱群的厚度是渐义变的。俭2.刮水平拟定拱捕通常可以利辜用拱圈中心级线和拱厚函渡数描述水平故拱圈冤的形状。以甚中心为自变易量的曲率半奥径方程用于瞎描述拱圈中顽心线较简洁谷，可较好地足概括几种常壁用拱圈曲线瓜的型式。已河谷对称时蹲，平面图上秧水平拱的圆峡心位置（三欣心或多心圆遍拱时则取中雪央拱段的圆抵心）在一条拴直线上。将市圆心位置、护半径、中心背角等高程点河绘成关系曲餐线。适当的挺调整圆心轨壶迹线，使这贼些关系曲线嚼成为光滑的穴连续曲线。结多心圆线型怖水平拱圈。宴多心圆线型撒水平拱圈采询用中心线描真述，包括三扁心圆、五心毕圆等等厚或朱变厚的水平烟拱圈线型览。术以三心圆拱将为例，三心丝圆线型拱圈逢左、右岸分执别由两段圆行弧组成，其云中中间拱段饼（简称中拱接）为左、右送岸共用一个算一个圆心，俗左、右两边雾的两个拱段溪（简称边拱拦）各用一个妙圆心，共有莫三个圆心，辱故称为三心古圆拱。番三心圆水平棍拱的中首拱圈票弧和边裁拱圈脖弧在交接处栽相切，中殊拱圈霸弧的圆心在盘o点。左岸微中岔拱圈页弧半径为R呢c栏L赛，半中心角修为滩α律o锐L爪,边侄拱圈肢弧圆心为O邻L卷，圆弧半径芳为R偶a严L辱,半中心角艰为局α蕉L录。嘴右权岸中匠拱圈椒弧半径为R看c去R召，半中心角笔α胃oR奖，且左、右夜岸中添拱圈搏弧半径相等屯。容右忆岸边渔拱圈犬弧的圆心为无O瓣R允，圆弧半径摊为R橡a酸R纷，半中心角兴为窝α富R关。壤各层水平拱线剖面的拟定耻首先应根据允圆心的取值网选定水平拱慨圈线型。在趋地形图上拟娘定坝轴线及裕拱端坐标位覆置，一般拱向圈中心线左铅、右两段顶锄拱切线和岩终面等高线的尖交角不小于个30哑°茧，且左、右帽两侧大致相熊近。可选择馋拟定圆弧半迁径R或中心监角偏α从，根据方程疾即可求得另键一参数。学混合曲线水焦平拱圈。采苗用中心角为衬自变量的曲饿率半径方程棕可以概括为滥抛物线、对妄数螺旋线、柱椭圆和统一爷二次曲线等伤常用的拱圈陡曲线形式。晕在拱圈的中剪心角匙处，混合曲标线拱圈中心覆线的曲率半宽径方程为钻式中幼骑——伤拱冠梁处的塘拱圈曲率半甜径；斤——为中心角，左记岸侧为负，教右岸侧为正野；捐、赖β瓶、k茅——盆线型参数。非对右岸侧的仆拱圈，可分认别定义不同仔的拱圈曲率避半径方程，岁即左、右岸座侧各有一组免参数，如础、油、减、梁，见下表。轰α樱、后β优、k取不同会的值时，混尖合曲线代表鞠不同的拱圈贴曲线。嫂拱圈混合曲暖线与其他几煌种曲线间的湾关系船拱圈线型椅值的范围撞β尽值的范围滤k值的范围挂混合曲线等任意竖任意布任意位单心圆清1饼任意挂0瞧任意牵0.0蹲0窃抛物线慰0莲1.5咸0摄椭圆线轻>0瞒1.5校0葬双曲线彩<0距1.5冻0浅二次曲线啦任意涌