大型联体式矩形渡槽流固耦合动力特性分析

渡槽是南水北调工程中大量使用的输水建筑物,国内外的研究主要集中在结构选型、优化设计、结构抗震等方面.以Housner理论为基础,用空间实体有限元法建立了考虑流固耦合的大型渡槽动力分析模型,利用此模型编写程序,计算了南水北调洺河渡槽在多种工况下的自振频率和振型.结果表明,在对大型联体式矩形渡槽进行动力计算时,水体与结构的耦合动力作用不容忽略,其重点应加强结构横向及侧墙抗震.     

考虑流固耦合作用的双槽渡槽地震响应分析

为研究考虑流固耦合的大型双槽渡槽结构动力响应特性,采用空间8节点非协调元,基于流固耦合动力相互作用理论及弹性理论推导计算公式,编制了有限元计算程序。对南水北调中线双洎河渡槽的典型三跨进行了模态分析和地震时程响应计算,结果表明:槽内有水将大大增加渡槽结构质量矩阵中的数值,使结构自振频率明显降低,考虑流固耦合动力作用工况较空槽工况对应的地震响应值(包括位移、速度、加速度等)大,对结构整体抗震不利。     

大型预应力矩形薄壁梁式渡槽静动力分析

采用通用的有限元计算软件,对双洎河预应力矩形薄壁梁式渡槽进行了静动力分析。研究了渡槽在运营过程中4种计算工况下的应力、变形的变化规律。采用热-结构顺序耦合的分析方法,分析了夏季温差、冬季温差、检修和施工等工况下渡槽的温度应力分布规律。采用流固耦合理论对渡槽结构进行了动力特性分析,给出了不同水深下渡槽的自振频率和主振型。结果表明:渡槽在运营过程中,水压对渡槽的应力和变形影响巨大,风载、人行荷载和车载对渡槽的应力和变形影响较小;渡槽的局部温度应力较大;渡槽整体刚度较大,自振频率较大,水体对渡槽自振频率影响不大。     

弧形闸门自振特性研究

以密云水库第二溢洪道弧门动力问题为背景，考虑禀不对闸门自振特性的影响，采用MSC公司开发的结构计算软件NASTRAN的流固耦合的附加质量数值模型，对该弧门的自振特性进行了分析。通过将该弧门自振频率的有限元计算结果与原型实测值进行对比，验证了有限元计算模型的正确性。同时，还探讨了流固耦合对换闸门自振特性的影响。结果表明，库水对弧形闸门自振频率和振型有显的影响，在弧形闸门设计中，支臂截面特性的选取对弧门的动力特性影响较大。     

平面钢闸门自振特性研究

主要用有限元分析软件ANSYS分析的方法，以获取闸门的自振频率和振型模态特性，通过对平面钢闸门采用规范中的附加质量法（单纯的附加质量法），及考虑流固耦合效应下来进行对闸门自振特性的计算，结果表明：附加质量法只对初始频率和初始振型有效，水体高度对结构自振频率的影响呈非线性变化，随着高度的增加附加质量法和考虑流固耦合计算得到的频率相差加大，水体高度的变化对结构的高阶频率影响较低阶频率要显著。虽附加质量法不如考虑流固耦合的计算精确，水位在闸门高度1／2以下时，附加质量法也可以用来计算闸门的自振特性。     

渡槽结构考虑流固耦合地震响应及求解敛散性

基于所建立的考虑流固耦合渡槽梁段单元动力分析模型,对渡槽结构在多务地震波下的地震响应进行计算分析.该模型综合考虑了渡槽横向、竖向、纵向、自由扭转和约束扭转变形,以及槽内水体与渡槽槽身的流固动力相互作用的影响.结合工程算例探讨了大型渡槽结构考虑流固耦合地震时程响应解答的敛散性,结果表明:计算是收敛的、可靠的.说明该模型是考虑渡槽内水体流固耦合作用实用的地震响应模型,计算结果可为大型渡槽抗震设计提供参考.     

长岗坡渡槽流固耦合特性分析

以广东长岗坡渡槽为研究对象,考虑运行期水体与槽体间的耦合作用,运用ANSYS有限元软件建立渡槽流固耦合模型,采用Unsymmetric法提取有水和无水两种工况的模态结果,获得前5阶频率和主振型。结果表明:渡槽结构的基频为1.034 Hz;渡槽结构的主振型以横向振型和整体振型为主;运行水位工况的各阶频率均小于无水工况,水体的存在削减了结构自振,因此在结构抗震设计和安全评价时应考虑流固耦合作用。     

考虑水流耦合效应的弧形闸门结构自振特性

为进一步揭示大型弧形闸门自振特性受水流影响的变化特征,以引汉济渭工程黄金峡水利枢纽大型弧形闸门为工程背景,采用有限元通用程序ＡＮＳＹＳ建立了该水闸不考虑水流、附加质量法考虑水流、流固耦合效应考虑水流的3种空间有限元计算模型,分别按照闸门不同开度进行了21种工况的自振特性仿真模拟计算,并结合前20阶固有频率和典型振型图分析了该水闸的动力特征。结果表明:相同条件下,采用附加质量法和考虑流固耦合效应的计算方法,水闸结构的各阶固有频率最大相差可达8．2％,大型弧形水闸结构的自振特性复杂且受水流影响较大,利用流固耦合效应有限元模型考虑水流对闸门结构自振特性影响的分析方法能更精确地描述水闸结构的动力特征。     

联体式渡槽流固耦合动力特性分析

基于势流体假设建立渡槽——水流固耦合二维联体式渡槽模型,分别计算比较刚性地基约束情况和考虑桩土作用的弹性地基约束情况的渡槽结构在不同水深工况下的计算结果,分析了联体式渡槽的动力特性以及土一桩结构相互作用对上部结构动力特性的影响。计算结果表明：槽内水体使结构自振频率降低,并且随着水深的加大频率降低越多;考虑桩一土相互作用使渡槽结构变柔,自振周期变长,因此在渡槽的静动力计算分析中有必要考虑桩土作用。     

U形渡槽流固耦合动力作用研究

为了研究强震下渡槽的流固耦合动力作用,本文首先用VOF模型验证了渡槽内水体响应的非线性,然后通过位移有限元方法建立了U形渡槽流固耦合模型,并根据地震作用的特点构造了一组Ricker子波,分别计算了刚、柔性槽体模型的动力时程响应。计算结果表明,渡槽流固耦合动力作用的强度主要受流体晃动频率、槽体自振频率两个因素控制,当外界激励的频率接近这两个频率时,渡槽的流固耦合动力作用将变得十分显著;当激励频率达到水体晃动频率的2倍时,水体主要运动方式将由表面晃动转变为整体惯性运动;地震作用下水体动力响应的非线性可以忽略。这些现象在渡槽抗震设计中应当引起足够的关注。     

考虑槽身与槽内水体流固耦合的渡槽地震反应计算

基于考虑槽身与槽内水体流固耦合的渡槽薄壁梁段单元的动力分析模型,计算了南水北调中线工程某渡槽结构的地震反应.计算结果表明,随着水位的上升,渡槽结构地震反应增大;考虑槽身与槽内水体流固耦合时,渡槽结构的横向地震反应、伸缩缝相对折角小于不考虑流固耦合的情况,而槽身横截面绕轴线转角却大于不考虑流固耦合的情况,说明槽身与水体的相互耦合对渡槽结构地震反应影响显著.因此,在对渡槽结构进行地震反应计算时,应采用能考虑相应水位的渡槽流固耦合动力分析模型,并计算渡槽在不同地震波激振下的地震反应才能综合反映渡槽结构在地震作用下的实际情况.     

不同地震波作用方向的大型渡槽动力响应分析

以南水北调中线工程中某大型渡槽结构为研究对象,采用ADINA软件中的势流体单元研究考虑流固耦合作用下渡槽结构的动力响应规律。本文对渡槽结构在顺槽向、双向和三向地震波作用下的动力响应分别进行了仿真研究。并分析了附加质量法和ADINA完全流固耦合法在计算流固耦合问题上的异同,及多维地震波对结构动力响应的影响。结果表明:水深及地震作用方向对渡槽结构的动力响应影响较大,且应在双向地震波作用下来研究结构的动力响应问题。     

高阻尼橡胶隔震渡槽的设计和动力性能研究

以南水北调工程为背景,运用高阻尼橡胶隔震技术,并借鉴建筑与桥梁相关规范及设计经验对某渡槽进行隔震设计.采用Housner模型建立渡槽流固耦合有限元动力模型,分析隔震渡槽的的动力特性和地震响应.结果表明:隔震后结构前三阶振型均为隔震振型;采用高阻尼橡胶支座隔震和铅芯橡胶支座隔震渡槽的结构振型一致,自振频率基本相同;地震动特性对地震响应结果影响很大,当地震波特征频率与结构基频越相近时,槽身和支座响应越大,采用隔震支座效果越明显;三向地震动输入下,隔震渡槽各部位响应峰值可供设计时参考.     

槽内水深对渡槽-水体耦合结构抗震性能的影响

采用有限元数值计算方法,研究槽内水深的变化对渡槽-水体耦合结构抗震性能的影响。数值结果表明,水体的存在使得渡槽结构的振动频率降低,在地震作用下,U形渡槽中水体的晃动幅度十分显著,从而改变了槽身地震反应性态。槽内水体对渡槽结构的影响程度与输入地震波的谱特性有很大关系,当输入地震波的主频范围覆盖渡槽结构基频,且槽内水体的振动频率与渡槽结构基频相近时,槽内水体对渡槽结构可以起到类似调谐液体阻压器(TLD)的减震效应,并对槽内水体减震效应的条件进行了判别。     

考虑水体作用的渡槽动力响应计算方法比较

在计算渡槽动力时程响应时,槽内水体的作用是不可以忽视的。采用附加质量法、Housner弹簧模型、流固耦合有限元法对简易有水渡槽模型进行了动力响应计算和分析,给出了不同方法计算结果上的差异,供计算设计者参考。     

渡槽结构横向动力响应分析

结合某渡槽安全鉴定工作,建立单跨渡槽结构在设计水位和无水两种工况下的ANSYS三维有限元模型。选用Housner流-固耦合模型模拟了槽内水体与槽体侧壁之间的相互作用,并设定槽墩高度为8.3,10.3,12.3和14.3 m,分别进行模态分析和动力响应分析,以观察在不同槽墩高度下渡槽结构的动力响应(应力、位移和速度)变化。分析结果表明:渡槽结构在设计水位工况下的自振频率小于结构在无水工况下的自振频率;随着槽墩高度的增加,结构在设计水位工况和无水工况下的自振频率均呈减小的趋势,而槽墩顶部、槽体跨中及槽体顶部关键点处的动力响应值有总体增大的趋势;但渡槽结构不同位置的响应值不同,在地震作用下,高墩渡槽的动力响应值总体大于矮墩渡槽的动力响应值。     

涌潮荷载作用下大型桁架式平面闸门动力响应仿真分析

通过三维有限元数值模型进行涌潮荷载作用下大型桁架式平面闸门动力响应仿真分析,研究大型桁架式平面闸门的结构动力特性,得出流固耦合条件下闸门结构的振动频率变化特征。在此基础上,通过涌潮荷载作用模拟对结构的动力响应进行仿真计算,得出闸门动位移和动应力值。采用水弹性振动模型对闸门结构的涌潮动力响应进行试验验证。验证结果表明,仿真计算结果与试验结果基本一致,仿真计算结果合理。最后,针对局部应力集中现象对闸门结构进行修改优化,并提出抗振优化方案。     

河湖底轴驱动翻板生态闸门静动力特性分析

底轴驱动翻板闸门作为一种新兴河道景观闸门,由于其良好的生态效益在河道水利工程中有着广泛的应用。但是该类型闸门应用时间较短,其结构设计理论尚未成熟,对相关的有限元计算方法的研究也不足。为此,以底轴驱动翻板闸门为研究对象,总结了该类型闸门数值模拟静、动力特性的分析计算方法。以某工程为例,采用CFD-CSD耦合数值计算方法探究了底轴驱动翻板闸门结构运行时在水压力作用下的静、动力特性。首先对各个开度运行工况下闸门的水压力进行数值模拟计算,进一步采用单向流固耦合方法将计算得到的水荷载施加在闸门结构上,分析得出闸门各构件应力及位移随开度的变化趋势。再对闸门结构的干、湿模态进行分析,研究闸前水体对闸门自振模态与频率的影响。研究结果表明：各构件应力和变形在闸门全关闭工况时达到最大值,闸门整体最大应力值为200.79 MPa、最大位移值为47.703 mm,应力和位移随闸门开度的增大而逐渐减小;闸门的自振特性受闸前水体的影响显著,在研究该闸门动力特性时,需要考虑流固耦合效应。     

基于FSI系统的(ui,p)格式大型渡槽动力分析

 槽体固体以位移为基本未知量，槽内水体以流场压力p为基本未知量，用能量变分原理推导了流固耦合(FSI)系流有限元分析的(ui,p)格式，给出流固耦合系统的动力特性方程，并基于FSI系统的(ui,p)格式建立渡槽槽体-水体-槽墩-基础-地基系统的力学模型，采用非对称模态提取法求解了渡槽的动力特性，并用隐式-显式积分算法计算了强震作用下大型渡槽的动力响应。计算结果表明，基于(ui,p)格式的流固耦合系统有限元分析的格式，考虑到槽体与水体的相互作用，简化了计算模型，提高了计算精度，同时也得出不同过水量下槽体结构动力特性和动力响应的变化规律等结论。