基于理想弹塑性的非线性接触单元模型研究

针对工程中的接触问题，基于理想弹塑性理论，建立了弹塑性摩擦接触模型，用来模拟接触面的切向变形和剪切破坏。根据接触面上的非线性特点，建立了判断接触面单元状态的3种接触模式；给出了接触面单元的应力计算公式；推导了接触面单元的切向应力-切向相对应变关系和弹塑性系数矩阵；建立了接触体的有限平衡方程。应用这种接触面模型进行了数值计算与分析。     

桩基础应力的三维非线性有限元分析

利用三维非线性有限元分析方法,建立土体与桩共同作用的数值模型,计算桩土复合体的应力与变形;讨论了土体的本构模型以及在桩土结构接触处提出应用有厚度单元进行接触面数值模拟。该文对某大桥东塔地基桩基础在不同荷载组合下进行了应力变形分析,为工程的设计施工提供了依据。     

基于两类横缝接触模型的拱坝非线性动力响应研究

本文基于主、从接触面的接触边界方法，采用限制接触面切向滑移的弹簧单元，模拟切向完全约束的高拱坝横缝在地震动荷载作用下张开、闭合的非线性力学行为，并应用有限元隐式迭代方法求解结构的动力响应。为了适应拱坝计算，文中对基于接触边界的ABAQUS模型进行了功能扩展，包括引入弹簧单元约束切向滑移、嵌入有限元库水附加质量等。通过讨论接触边界与接触单元模型的有限单元格式，比较了两类接触模型的特点。分别采用该模型与基于接触单元法的ADAm88模型模拟某拱坝的动力响应，两者得到了基本一致的规律：结点位移与横缝开度吻合良好，动位移与开度时程反映出相同的动力响应周期，二者都反映出横缝张开引起的拱向拉应力释放和梁向应力的增加。通过计算验证了ABAQUS模型在拱坝动力计算方面的适用性，说明该模型适合作为一个扩展平台嵌入其他的本构、边界模型以全面模拟实际拱坝的动力特性。     

考虑结构与加锚岩体联合受力的船闸闸首抗震性能研究

为研究地震作用下结构与加锚岩体的非线性接触对闸首抗震性能的影响,以某双线五级船闸的第一级闸首为例,在ADINA有限元软件中建立库水-结构-锚杆-基岩动力相互作用的整体三维有限元模型,基于约束函数的非线性接触单元模拟了闸首结构中的各类接触问题,采用动力时程分析方法模拟了地震作用下闸首结构的动力响应、锚杆受力的分布规律以及不同接触面的接触状态。结果表明:设计地震作用下闸首各边墩均向航槽侧变形,位移沿高度方向递增；锚杆轴向拉应力的最大值小于其抗拉强度；不同介质间的接触面上部有往复开合的现象,接触面最大张开度沿高度方向递增,地震结束时接触面恢复到震前的紧贴状态；设计地震作用下该船闸闸首的结构变形、结构应力、锚杆受力情况及接触面接触状态均满足规范要求,具有良好的抗震性能。     

小浪底灌溉塔非线性动力安全研究

对灌溉塔的动力安全性进行了研究。计算时,灌溉塔与挡墙间的施工缝采用接触单元进行模拟,动力非线性计算采用时程分析法,加速度的假定采用Newmark方法,计算平台为ANSYS。计算结果表明:塔顶动力变形满足20 cm宽的塔间缝设计要求,事故闸门槽的变形不会影响闸门的开启,塔体拉应力主要分布在塔基面和232 m,245 m高程塔体截面变化处,接触面混凝土不会被压坏,塔体的抗滑和抗倾覆稳定满足要求。     

阿尔塔什水电站联合进水口塔群三维有限元静动力分析及配筋设计

通过建立山体、回填混凝土以及进水口塔群三维网格模型进行有限元分析,基于子程序成功开发了4节点单自由度用户单元,较好地模拟了动水压力与结构之间的相互作用,并采取振型分解反应谱法进行动力分析,对塔群结构和地基的应力及变形分布规律进行分析研究。通过进水塔结构、地基应力及位移等计算结果,论证塔体的结构稳定性及安全性,并对阿尔塔什水电站联合进水塔群结构进行应力配筋计算以及地基承载力验算。结果表明:对于基础是变截面的塔体底板,上表面的应力控制工况为运行期,下表面控制工况是检修期;对于基础为非变截面的塔体底板,应力控制工况为检修期。两侧边墙应力控制工况为运行期+横竖向地震;后胸墙及中墩应力控制工况为运行期+纵竖向地震。依此,为今后联合进水口塔群结构稳定与配筋计算提供借鉴。     

双江口进水塔塔背回填混凝土稳定性数值仿真研究

水电站进水塔塔背回填混凝土对整个塔体的受力至关重要,合理的回填高度要求在低成本、低投资的基础上能够实现塔体的安全运行,而塔背回填混凝土的合理设计、施工则是保证工程安全的前提,因此,对于双江口进水塔塔背回填混凝土稳定性研究具有重要工程意义。本文通过建立进水塔塔背岩质边坡的计算模型,采用有限差分法分析了回填过程混凝土和边坡的稳定性,考虑了回填混凝土与边坡接触面(岩-混凝土接触面)的相互作用。结果表明:塔背回填混凝土分层施工过程中混凝土以及岩质边坡整体稳定性较好;岩-混凝土接触面直接影响模型的应力、位移场分布特征,其力学参数的选取和设计对回填混凝土施工工艺优化具有重要参考价值。     

接触滑移对不同埋设方式蜗壳结构应力的影响分析

为研究水电站厂房蜗壳的接触滑移对蜗壳结构应力的影响,本文采用三维面面接触单元对不同埋设方式蜗壳结构进行了三维有限元计算。计算结果表明,考虑接触滑移与共节点模型相比,垫层蜗壳外围混凝土孔周应力平均值可降低约30%以上,钢蜗壳应力增加约27%;当摩擦系数由0.25增大到1.00时,蜗壳外围混凝土孔周应力平均值也增大30%左右;而考虑接触滑移与否对直埋蜗壳结构应力影响较小,差值不超过3%。因此,在利用有限元求解蜗壳结构应力时,垫层蜗壳考虑接触作用将使计算结果更加合理,而对于直埋蜗壳,不考虑接触作用对结构应力的影响很小,共节点模型可以在实际工程中采用。     

一种薄层接触单元的开发及FLAC~(3D)实现

随着土木水利行业的蓬勃发展,出现越来越多岩土-结构相互作用的问题。虽然目前国内外学者研究出很多种类的接触面本构模型,但大多软件中的接触面模型甚为简单,如此便限制了软件对接触面问题的模拟。FLAC3D软件中的interface单元是简单的库伦滑移型无厚度接触单元,不能模拟接触面所能表现出的例如应变软化等特性。鉴此,基于塑性力学,首先提出了一种弹塑性本构模型。然后基于VC++语言,将此模型开发成适用于FLAC3D软件的薄层实体单元。最后用三个数值算例验证了所开发的单元和本构模型能反映接触面在弹性阶段的非线性,在塑性阶段的应变软化、大变形、法向剪胀及拉伸破坏等特性。用所开发的新单元代替原有的interface单元能提高FLAC3D模拟复杂接触特性的能力。     

一种薄层接触单元的开发及 FLAC^3D实现

随着土木水利行业的蓬勃发展,出现越来越多岩土-结构相互作用的问题。虽然目前国内外学者研究出很多种类的接触面本构模型,但大多软件中的接触面模型甚为简单,如此便限制了软件对接触面问题的模拟。FLAC3D软件中的interface单元是简单的库伦滑移型无厚度接触单元,不能模拟接触面所能表现出的例如应变软化等特性。鉴此,基于塑性力学,首先提出了一种弹塑性本构模型。然后基于VC＋＋语言,将此模型开发成适用于FLAC^3D软件的薄层实体单元。最后用三个数值算例验证了所开发的单元和本构模型能反映接触面在弹性阶段的非线性,在塑性阶段的应变软化、大变形、法向剪胀及拉伸破坏等特性。用所开发的新单元代替原有的interface单元能提高FLAC3D模拟复杂接触特性的能力。     

进水塔塔背回填抗震设计优化研究与动态响应分析

为分析塔背不同回填材料与不同回填厚度对进水塔动态响应的影响,建立6种回填材料与4种回填厚度相互组合下的数值试验模型,对进水塔进行动力分析。对比进水塔关键部位的应力与位移发现:回填材料的不同对塔背与回填交界区域应力有一定影响,石渣回填时,此区域应力最大值有很大减小,接触面应力分布状态也发生了变化;回填厚度对塔顶位移的影响不大。根据数值试验的计算结果与分析规律,合理使用石渣回填,设计了一种新的回填型式。此型式下塔背与回填交界区域不在为集中应力发生的部位;接触面最大应力大幅减小,相同部位的应力值减小;大应力区位置向下偏移,且区域变大、变宽,说明新回填型式改善了进水塔结构的应力状态,对其安全很有利。将提出的回填方法应用于某泄洪洞进水塔结构中,对比分析了新回填型式与原回填型式两种情况下此进水塔塔背与回填交界角点应力时程曲线、塔背与回填接触面应力云图与损伤云图。结果表明新回填型式下进水塔与回填接触面的动态响应得到了很大改善,该方法对进水塔结构的抗震与安全具有重要意义,可供类似工程借鉴。     

高耸进水塔塔后回填高度对其抗震性能的影响

针对高耸进水塔塔后回填高度的选取问题,规范未给出通用的取值范围,在计算分析时一般只考虑塔后回填对塔体应力的影响,对塔后回填与基岩交接处的应力涉及较少。在保证进水塔稳定的条件下,采用ANSYS有限元分析理论,建立进水塔三维有限元模型,选用反应谱法计算了进水塔在地震作用下的动力响应,对比分析了不同塔后回填高度对进水塔结构自振频率、位移、塔体应力、回填与基岩交接处应力的影响程度。结果表明:塔后回填高度在一定范围内时,塔后回填能够有效提高塔体的自振频率,改善塔体的位移及应力,塔后回填混凝土与基岩交界面处的应力值有小幅度的增大;当塔后回填高度超过一定值时,回填高度的增加对塔体的自振频率、位移、应力的改善逐渐减弱,塔后回填混凝土与基岩交界面处的应力出现突增。综合分析得出此类进水塔合理的回填高度约为0. 64倍塔高。     

高耸进水塔拦污栅墩连系梁结构体系的抗震分析

针对高耸进水塔拦污栅墩连系梁结构在地震作用下容易产生较大的拉应力的现象,采用ANSYS有限元分析理论,建立进水塔有限元模型,选用反应谱法计算进水塔结构在地震作用下的动力响应。通过设计3种方案,对比研究拦污栅墩连系梁结构存在的必要性以及横梁(垂直水流向)、纵梁(顺水流向)尺寸大小对进水塔关键部位的应力和形变的影响。结果表明:高耸进水塔结构,增大横梁尺寸可减小自身轴向拉应力、并限制拦污栅墩位移。而增大纵梁尺寸则会对局部结构产生不利影响,因此适当增加横梁尺寸,减小纵梁尺寸可有效降低成本,提高结构安全度。该研究可为结构相似的进水塔拦污栅墩的连系梁尺寸调整提供参考。     

混合式闸墙与基岩间的非线性接触分析

针对广西西津船闸闸墙的结构布置，采用连续介质非线性理论和有限元法，建立数学模型，分析了衬砌墙墙体与基岩之间的接触状态和接触应力，揭示了墙体与基岩应力分布的基本规律，对基岩上闸墙体型的优化设计提供了参考。     

溪古水电站进水塔稳定分析

进水塔为高耸建筑物,在各种工况特别是地震工况下的稳定性对整个枢纽的安全运行尤其重要,其稳定是指塔体抗浮、抗滑、抗倾和基地应力满足规范要求,本文结合有限元和常规方法稳定计算结果,分析了进水塔在各种工况下的稳定性。     

白鹤滩水电站升船机塔柱结构抗震性能分析

采用ABAQUS有限元软件建立了白鹤滩水电站升船机塔柱结构有限元模型,研究塔柱结构在地震荷载作用下的位移、加速度和应力响应。计算结果表明：在单独水平地震作用以及水平、竖向地震共同作用下,塔柱顶部的水平位移最大值分别为30.59 cm和31.84 cm,均小于水平位移限值,满足规范要求。为研究塔柱结构的P-Δ效应影响,对水平和竖向地震作用下的塔柱结构进行考虑非线性的动力时程分析。结果表明：考虑P-Δ效应后,结构的动力响应总体呈现放大效果,位移最大值、加速度最大值和应力最大值增幅在10%左右,说明P-Δ效应会在一定程度上削弱结构的抗震性能,因此在此类高耸结构的抗震性能研究中,P-Δ效应的影响不可忽略。     

近断层地震动作用下高耸补压塔地震反应分析

由于近场脉冲地震中含有幅值较大的速度脉冲,其表现出的基本特征通常不同于远场地震。为研究近断层地震和地基刚度对补压塔结构动力响应的影响,以某拟建补压塔为研究对象,考虑流固耦合和地基辐射阻尼,建立水体-结构-基础三维有限元模型,采用时程分析方法研究不同地基刚度、不同地震动类型对结构动力的响应规律。利用1999年集集地震的3组不同类型的地震动记录,即远场、近场无脉冲和近场脉冲型,采用精度较高的波动输入方法和黏弹性人工边界对构筑物进行动力分析。研究表明：不同的地震动特性和土-结构相互作用效应对补压塔的结构响应有显著影响,在地基刚度不大时,近场脉冲型地震位移响应是远场地震的2.5倍以上,鞭稍效应更为明显。近场脉冲型地震动对结构响应影响程度与结构第一周期有显著的相关性。研究结果可为近场区域高耸水工结构设计提供理论依据。     

抽水蓄能电站保压蜗壳复合结构非线性接触分析

针对抽水蓄能机组充水保压蜗壳联合承载结构的受力特性,考虑到钢蜗壳与外包混凝土间的接触传力关系,基于ABAQUS程序平台,引入一种新的不同材料交界面接触单元模型,对某水电站机组蜗壳结构进行非线性接触分析,并将其计算结果与传统简化模型的有限元计算成果及实测资料作比对分析。结果表明:接触单元模型计算成果与实测值较吻合,其更符合工程实际,较好地揭示了充水保压蜗壳复合结构的真实力学行为规律,验证了考虑接触单元模型的合适性,亦为蜗壳结构的优化设计提供了可靠的科学依据。