基于ANSYS的土石坝施工过程仿真分析

利用ANSYS的"生死单元"和二次开发功能,采用邓肯E-B模型,编制了土石坝静力分析的非线性有限元分析程序,实现了分层加载。对某土石坝施工过程进行了模拟分析,所得计算结果符合施工模拟逐层加载的计算规律,验证了模拟的可靠性。     

Von Mises 屈服准则雅可比矩阵的显式表达及收敛性分析

增量塑性理论中,雅可比矩阵是描述材料应力增量-应变增量关系的矩阵,是有限元程序编译的重点。现有商用有限元软件常采用隐式表达形式编译,因变量与自变量之间的函数关系体现不直观。本文基于弹塑性力学理论,推导了Von Mises屈服准则雅可比矩阵的显式表达。采用Fortran计算机语言编写了UMAT子程序与ABAQUS软件联立求解。通过实例与隐式表达的计算对比,显式表达的计算精度与隐式表达一致,计算收敛性较好。由弹塑性雅可比矩阵的一般形式推导出的Von Mises屈服准则的显式表达雅可比矩阵,力学概念清晰,也便于程序编译。     

基于有限元法的土石坝施工填筑数值仿真及位移修正方法探讨

为提高有限单元法在土石坝施工填筑数值仿真中的施工填筑模拟效率并修正数值仿真填筑位移,针对目前采用的“生死单元法”和“空气单元法”计算效率低的问题,提出了一种处理单元的施工填筑模拟方法,即给每个单元赋予施工信息进行施工次序控制,未施工单元不参与仿真计算。工程实例表明,该方法与传统方法相比可节省50%计算时间。由于有限元仿真时自重荷载是一次性施加的,这与实际施工时逐级加载的变形机理是不同的,需要对有限元计算位移进行修正,因此,基于土体一维线弹性压缩沉降理论,推导了单填筑级及多填筑级下的位移修正公式,完善了施工填筑位移修正方法。     

江湖系统显式与隐式二维水动力模型比较

深入认识大型江湖系统水动力特性,需要使用平面二维数学模型代替传统一维数学模型开展模拟和研究。当以高分辨率计算网格作为前提时,大型江湖系统二维水动力模型“计算精度与效率”的矛盾则转化为计算效率瓶颈。以荆江-洞庭湖系统为背景(剖分为32.8万个四边形单元,最小网格尺度约50 m),选用MIKE21模型和一种半隐式欧拉-拉格朗日模型,开展大型江湖系统显式、隐式水动力模型性能的比较研究,探讨大型江湖系统高分辨率二维模型的可实用性。研究结果表明:显式模型稳定性较差,允许的最大时间步长为0.8 s;隐式模型稳定性好,时间步长可达60 s以上;在常规16核工作站的效率测试结果表明,显式模型具有良好的可并行性,加速比随核心数量基本呈现线性变化;隐式模型(使用预测-校正分块并行计算方法)亦可取得非常大的加速比,在16核心并行条件下加速比S_p可达11.1;模拟荆江-洞庭湖系统1年的非恒定流过程,显式、隐式模型的耗时分别为411、10.76 h(16核),后者计算效率是前者的38.2倍,可满足大型江湖系统整体高分辨率平面二维水动力模拟的实用性要求。     

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。     

不同自重施加方式对拱坝施工期应力的影响

自重作用对拱坝应力状态影响较大,拱坝分析中,在施加自重时必须考虑真实的施工过程。以实际拱坝为例,采用有限元通用软件ANSYS,利用单元生死对拱坝的施工过程进行仿真分析,计算中考虑了施工中不同自重施加方式对坝体应力的影响。计算结果表明,施工过程对坝体应力有显著影响,给出了仿真计算的自重施加方式,为类似工程的拱坝应力分析提供了依据。     

接触和"生死"单元在灌溉塔稳定研究中的应用

小浪底灌溉塔的左侧设置了一道挡墙用来加强侧向稳定性,两者间设置施工缝并进行了接缝灌浆,然而此施工缝可能因地基的不均匀沉降而张开,从而影响灌溉塔的动力稳定性。为了准确地模拟灌溉塔与挡墙间的施工缝,采用了接触单元模拟缝面的闭合、张开和滑动,同时用“生死”单元技术考虑施工过程的影响,建立了灌溉塔的非线性动力接触计算模型,并采用ANSYS程序进行了动力时程法有限元计算。计算结果表明,灌溉塔的抗滑和抗倾覆稳定性满足设计要求,灌溉塔与挡墙间的施工缝隙越大越不利于灌溉塔的稳定。     

有阻尼体系显式积分格式的计算精度研究

结构动力反应计算中的显式积分格式是一种重要的时域逐步积分方法。对于有阻尼单自由度体系,由于时间离散,质点的反应计算值与理论值存在一定差异。本文通过特征向量矩阵对积分格式的传递矩阵进行分解,采用周期延长率和相邻正/负波峰值递减率作为计算精度的衡量指标,建立了有阻尼体系显式积分格式计算精度的一种新方法。应用该方法分析ABAQUS/Explicit积分格式的计算精度,推得单自由度体系质点振动的周期延长率、峰值递减率随频率、阻尼比及计算时间步长变化的解析表达式,并采用工程结构常用的阻尼比取值对计算精度进行定量分析。结果表明,本文提出的方法可行有效,并可推广应用于其它有阻尼体系显式积分格式计算精度的定量分析。     

钢管混凝土拱桥拱肋灌注变形分析

利用接触面单元,模拟混凝土与管壁的相互作用,同时利用有限元软件的"单元生死"和"APDL语言编程"建立拱肋灌注混凝土的有限元模型,分析对称灌注及两边灌注高差为0.3 m0、.5 m和1 m三种情况下拱肋竖向变形的变化规律。结果表明:混凝土灌注进行到中部时,拱肋变形最大,应控制此时拱肋的变形量;不对称施工对变形影响重大,施工初期尤为突出,随着施工的进行,不对称施工偏差造成拱肋变形差异程度逐渐变小。     

河口浅水方程的隐式和显式有限元解法

赵士清(河港研究所): 原文介绍了河口浅水方程的隐式和显式有限元解法,隐式方法由于其复杂性,花费较多的存储量和计算时间,一般不为人们所采用。文中应用的一种显式有限元方法,虽然精度不高,值比较简单,可供工程人员进行工程估算。下面,就有关几个问题与作者商榷。 (一)根据式(10),隐式差分格式应为     

水闸改造工程有限元计算方法研究

以江苏省宜陵北闸改造工程为例,分别采用"一次加载计算方法"和"模拟施工过程的加载计算方法"对其进行三维有限元计算,研究了两种加载计算方法在水闸改造工程结构应力计算中的差异。研究表明,在有限单元法对水闸改造工程结构应力的计算中采用"模拟施工过程的加载计算方法"能更真实地模拟初始位移的情况。计算不仅应考虑水闸原有位移沉降对结构的影响,而且需考虑拆除部分结构与新增部分结构的施工过程对水闸剩余结构的影响。     

混凝土重力坝施工过程的仿真计算

采用APDL参数化有限元分析技术并结合ANSYS程序,利用ANSYS中的"生死单元"技术以及设置相应的荷载步来实现对重力坝施工过程中自重累加仿真的模拟计算,对自重的一次性施加与分步施加所计算的结果进行了对比,得出一些相关的结论。     

预应力钢索式混凝土衬砌的三维非线性有限元分析

本文提出了用三维隐式索单元模拟预应力钢索的三维非线性有限元计算方法，给出了混凝土衬砌裂缝开展估算公式，结合工程实例，对预应力钢索式混凝土衬砌的应力分布规律和破坏特性进行了探讨。     

各向同性材料弹粘塑性有限元分析的统一积分法

弹粘塑性有限元的分析方法在固体力学,特别是岩土力学领域内得到了广泛的应用。在弹粘塑性分析中,可以用显式算法或隐式算法,我国多采用方法简单但需机时多的显式算法。本文讨论了各向同性材料弹粘塑性有限元分析的统一积分算法,对隐式积分法推导出6个屈服准则的粘塑性应变率导数矩阵的统一表达式,该表达式特别适合数值计算。另外,本文还综述了粘塑性分析显式和隐式积分法时问步长的选择方法。目前,本文所述的方法已用于三维和二维计算程序REVP3D和REVP2D中。该组程序还可按统一格式很方便地引入其它屈服准则。本文还用一算例说明了本文方法的应用。     

显式算法中三维黏弹性人工边界应用及输水隧洞动力响应分析

为确保大型复杂三维有限元模型动力响应分析的稳定性及高效性，结合二维黏弹性边界理论及其在动力显式分析中稳定性的改善方法，提出了一种适用于ABAQUS/Explicit模块的三维黏弹性人工边界方法，并依托某输水隧洞与临近高铁隧道的立交工程，在设有三维黏弹性边界的基础上研究高速列车振动荷载对既有水工隧洞的振动影响特性。结果表明，采用动力显式分析时，稳定性改善后的黏弹性人工边界具有良好的吸能效果，满足远域地基的回弹性能；振动荷载对输水隧洞的动力影响随着作用距离的增大而减小，且各断面的动力响应极值均出现在底板中心。     

有限单元法中的隐式杆单元

一、前言 地下工程中的锚杆及钢筋混凝土结构中的钢筋在有限元计算中一般按杆单元考虑.目前的考虑方法及计算程序把杆单元的结点也作为整体计算网格的结点考虑(本文称这种杆单元为显式杆单元).为了照顾到杆单元,有时会给有限元的网格剖分带来一些麻烦,甚至额外增加不少单元和结点,相应地也增加了计算时间.例如图1所示的隧洞(为了简单而又能说明问题,没有画出衬砌),若没有锚杆单元,可以按图2剖分;但是如果把锚杆按显式杆单元考虑,就要按图3剖分.相比之下,图3的网格就比较复杂,单元数和结点数也较多.但是如果按本文的方法,把锚杆按隐式杆单元考虑,也可以按图2来剖分。显式锚杆的上述缺点对于同一种断面型式按不同锚杆布置方案计算时,对于根据地质情况和开挖方案设置与洞壁斜交的锚杆或超前锚杆时以及钢筋混凝土结构中配有斜钢筋时表现得就更突出.     

珠江河口水动力一维、二维联解的有限元计算方法

该文应用有限元联解方法计算珠江河网与河口的整个水动力。仿照四点隐式差分法在每个一维单元内部形成独立的单元方程组,改进RMA有限元软件包实现河网一维数值模拟。借鉴弹性力学年中通过固结杆件与块体的连接结点实现两构件组合计算的思路,设计了珠江河网一维、河口二维水动力联解的有限元法,通过单元矩阵的构建、合并与叠加,形成整体方程组,实现整体求解的连接模式,有效地解决了不同形态流场的模拟问题。应用研究表明:该方法合理,计算结果较理想。     

地下工程排水措施失效非稳定渗流效应研究

在水电站地下洞室群的施工及长期运行中,地下渗流排水孔会因渗流结晶等各种因素导致堵塞失效.基于排水孔模拟的隐式复合单元法,提出非稳定渗流情况下排水措施的模拟方法,结合非稳定渗流的抛物型变分不等式提法,研究随排水措施逐渐失效过程中地下渗流场随时间变化的规律.采用简化算例分析计算表明:排水措施逐渐失效过程中,地下水随时间呈现...     

基于ANSYS的某土石坝渗流数值模拟研究

基于有限元原理以及渗流场与温度场在各种方面的相似性,将ANSYS软件中的热分析模块运用于土石坝渗流场的计算中。利用ANSYS的APDL语言,将生死单元功能运用于土石坝渗流场浸润线的计算中,从而得到较为准确的结果。通过工程实例计算结果与理正岩土、Seep/W的计算结果进行对比,证明了利用ANSYS热分析模块进行土石坝渗流数值模拟的正确性。     

地下厂房施工过程的三维非线性数值模拟分析

根据冗各电站地下厂房开挖支护的施工顺序,以隐式杆单元模拟锚杆,以壳单元模拟混凝土喷层,采用三维非线性有限元技术,对洞室群的开挖支护动态过程进行了模拟计算。通过三维非线性有限元计算分析得到:洞室群动态开挖过程中围岩应力变形的分布规律,围岩塑性区的发展规律,锚杆受力变化情况。计算结果表明:整个开挖过程中,洞周围岩位移变化规律正常,量值较小,塑性区主要分布在洞室周边,围岩稳定性较好;但在洞室交叉口处围岩的变形较大,出现较大范围的塑性区,在此基础上提出了支护措施优化方案,并对优化方案的效果进行了评价。