牟高翔,陈 岗,蔡华龙

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072;2.二滩水电开发有限责任公司,四川 成都 610061)

1 问题的提出

随着电算技术的发展,有限单元法在拱坝的应力分析上得到广泛的应用。该方法不受结构力学假定的限制,不但可以比较合理地考虑拱坝的整体作用,还能够进行各种复杂条件下的拱坝力学分析,解决了拱梁分载法中较难处理的各种问题。

创建有限单元模型是有限单元计算分析中不可或缺的一个重要环节。有限单元模型创建的一般过程是:几何模型(点、线、面、体)→单元模型(节点、单元)。此过程操作极其繁琐,占整个有限元计算工作量的 70%以上,而且调整不便(计算模型如有调整,整个过程必须重新来过)。对拱坝体形优化而言,针对不同的体形方案,需要建立不同的模型。上述过程建模速度缓慢,而且相同部位的单元网格形状和几何尺寸的一致性难以保证,而单元网格的划分与计算结果密切相关。因此,需要采取另外一种建模方法,一方面能够快速地将优化调整的拱坝体形转化成可以用于计算的单元网格;另一方面有一套各种模型都遵循的网格划分原则,以确保相同部位单元网格形状和几何尺寸一致。

2 ANSYS有限元软件的建模技术①《ANSYS中文学习指南》。

ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件,因其功能强大、界面友好,因而在工程技术领域得到广泛应用。ANSYS有限元分析软件的有限元模型的建立可分为直接法和间接法两种。直接法为人为控制直接生成计算分析所需要的节点和网格单元;间接法是指由实体模型到有限元网格的建模方法。与一般的 CAD软件一样,间接法通过点、线、面、体先建立分析对象的实体模型,再进行实体网格划分,以完成有限元模型的建立。后一种方法因其过程直观,得到了大量应用,而前一种方法,无疑使通过编制程序控制网格的划分,直接形成 ANSYS可以读取的有限元模型成为可能。

在 ANSYS软件中,允许将建模过程中需要的所有命令以命令流文件的形式快速导入。建模所需要的命令流如下:

/PREP7 (进入前处理器。此为说明,实际流文件不包含,以下同。)

ET,1,PLANE45 (定义 1#单元为 8节点六面体单元)

N,num,x1,y1,z1(定义节点,“num”为节点序号;“x1,y1,z1”为实际节点坐标)

FLST,2,8,1 (以下 10行,通过 8个节点形成一个单元)

FITEM,2,num1

……

FITEM,2,num8

E,P51X

因此只要计算出模型的节点坐标,定义好节点-单元形成规则,就不难以命令流的形式将模型导入 ANSYS中。

3 建模程序的主要功能及流程

3.1 程序的主要功能

根据具体拱坝工程特点和拱坝优化过程的实际需要,建模程序的主要功能如下:

(1)根据拱坝体形参数文件,生成拱坝拱梁交点坐标,通过设置沿厚度划分单元层数变量和近基础坝体的薄层单元厚度等参数生成坝体部分的有限单元模型[2];

(2)通过计算域上下游、左右岸及垂直向的边界参数和单元尺寸缩放因子,生成拱坝基础单元网格(不带地形);

(3)通过读入地形数据和拱肩槽数据生成拱肩槽单元及地面单元;

(4)通过定义层间、层内错动带的相关参数,生成软弱结构面单元。

本程序生成的坝体及基础单元均为 8节点 6面体等参元。

3.2 程序的编制流程

为了保证程序运算的精确性和便捷性,笔者利用 Fortran语言进行程序编写。整个程序编写包括以下几个流程:生成坝体单元 →生成基础单元(不含河谷地形)→生成河谷地形单元 →生成拱坝三维有限元模型生成命令流文件。编制流程见图1。

图1 有限元网格自动剖分程序流程

4 应用实例

现以某拱坝为例,说明建模程序工作过程。

4.1 生成坝体单元

通过拱坝体形参数生成坝体上、下游面的拱梁交点坐标,并以此作为坝体节点信息和单元信息计算的输入数据。坝体单元均采用 8节点六面体等参数单元,周边采用三棱柱体单元向基础过渡。为便于与基础错动带出露高程协调,在坝体周边相应高程划出单元边界。生成的坝体网格见图2。

坝体及基础部位设置薄层单元(也为六面体等参数单元),坝体单元沿厚度方向划分层数和薄层单元厚度利用输入参数进行控制[2]。

图2 坝体有限元网格

4.2 生成基础单元

沿坝体周边向上游、下游、拱端以里、河床以下以及坝顶以上进行单元扩展,生成拱坝基础单元网格。网格划分遵循越接近坝基部位网格单元尺寸越小、反之越大的原则。该工程坝址地质构造主要为大致平行于岩层面的层间、层内错动带,岩层走向,左岸总体为 N20°～40°W/NE∠4°～ 7°,右岸 N 15°～30°E/SE∠3°～5°。从方便建模考虑,将结构面均概化为水平产状。结构面单元在接近基础部位,采用三棱柱体单元与坝基单元协调。坝体单元与基础单元的协调见图3,生成的左岸基础单元网格见图4。

4.3 生成河谷地形单元

利用拱圈平切图,将包括拱肩开挖槽在内的地形表面数据化,再利用线性插值方法生成地表的单元边界。生成的拱间槽和河谷地形单元网格见图5和图 6。

图3 基础单元与坝体单元

图4 左岸基础单元

图5 左岸拱间槽单元

图6 河谷地形单元

4.4 组装生成整体模型

将坝体、基础、表面地形拱肩槽的节点及单元组装在一起,形成大坝整体模型(见图7)。在读入模型材料参数和荷载文件以后即能迅速地计算分析。

图7 拱坝整体模型

5 结 语

利用 ANSYS软件中命令流文件这一外部接口形式,编写的三维建模程序主要有以下特点:

(1)通过程序对体形参数的转换可生成直接用于 ANSYS计算的三维有限元网格模型;

(2)地形数据和材料参数录入一次性完成,最大程度避免了相同工程不同体形计算时的重复性工作;

(3)在程序的统一控制下,相同部位的单元网格形状和几何尺寸达到最大程度的一致性,从而确保了不同体形之间计算成果横向对比的精度需要;

(4)可以将坝体单元和基础单元有控制地细分以满足不同计算精度的需要。

[1]牟高翔.薄层单元在拱坝有限元计算中的应用[J].水电站设计,2005,21(2):8-13,86.