第5章ANSYS水利工程應(yīng)用實(shí)例分析

1、第5章ANSYS水利工程應(yīng)用實(shí)例分析 水利工程 / ANSYS重力壩抗震性能分析步驟 ANSYS重力壩抗震性能用實(shí)例分析 J本章典型效果圖 ANSYS10.0 土木工程應(yīng)用實(shí)例分析 5.1水利工程概述 雖然我國水利資源非常豐富，但河流在地區(qū)和時(shí)間分配上很不均衡，許多地區(qū)在枯水季節(jié) 容易出現(xiàn)干早，而在洪水季節(jié)又往往由于水量過多而形成洪澇災(zāi)害。為了解決這一矛盾，人們 修建了許多水利工程來達(dá)到防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運(yùn)等目的，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。 水利工程中各種建筑物按其在水利樞紐中所起的作用，可以分為以下幾類： (1) 擋水建筑物用以攔截河流，形成水庫，如各種壩和水閘以及抵御洪水所用的堤防等

2、。 (2) 泄水建筑物用以宣泄水庫 或渠道)在洪水期間或其它情況下的多余水量，以保證壩(或 渠道)的安全，如各種溢流壩、溢流道、泄洪隧道和泄洪涵管等。 (3) 輸水建筑物為灌溉、發(fā)電或供水，從水庫(或河道)向庫外(或下游)輸水用的建筑物，如 引水隧道、引水涵管、渠道和渡槽等。 (4) 取水建筑物是輸水建筑物的首部建筑，如為灌溉、發(fā)電、供水而建的進(jìn)水閘、揚(yáng)水站等。 (5) 整治建筑物用以調(diào)整水流與河床、河岸的相互作用以及防護(hù)水庫、湖泊中的波浪和水流 對(duì)岸坡的沖刷，如丁壩、順壩、導(dǎo)流堤、護(hù)底和護(hù)岸等。 由于破壞后果的災(zāi)難性，大型水利工程建設(shè)的首要目標(biāo)是安全可靠，其次才是經(jīng)濟(jì)合理。 所以說研究大壩等

3、水工建筑物的安全分析、評(píng)價(jià)和監(jiān)控，是工程技術(shù)人員需要解決的課題，正 確分析大壩性態(tài)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。 當(dāng)前對(duì)各種水利工程評(píng)價(jià)主要采用有限元分析方法，借助各種有限元軟件對(duì)這些水利工程 建筑物進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，其中應(yīng)用比較廣泛的是ANSY軟件。目前，ANSY軟件在水利工程中主要 應(yīng)用以下幾個(gè)方面： (1) 應(yīng)用各種壩體工程的設(shè)計(jì)和施工 利用ANSY軟件，模擬各種壩體施工過程以及壩體在使用階段受到各種載荷(如水位變化對(duì) 壩體的壓力、地震荷載等)下結(jié)構(gòu)的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，模擬壩體的溫度場和應(yīng)力場，借助模 擬結(jié)果修改設(shè)計(jì)或?qū)误w采取加固措施。 (2) 應(yīng)用于各種引水隧道、引水涵管等設(shè)計(jì)和施工 利用ANSY軟

4、件，模擬這些工程開挖、支護(hù)、澆注、回填過程，分析結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變 形情況、結(jié)構(gòu)的安全可靠度，以及襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)在水壓、溫度發(fā)生變化后產(chǎn)生的變形情況和結(jié) 構(gòu)內(nèi)力，依靠ANSY模擬結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 (3) 應(yīng)用于各種水庫閘門的設(shè)計(jì)和施工 水庫閘門在上游水作用下將發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切和拉壓等組合變形，利用ANSY中的 SHELL6單元來模擬閘門，禾U用大型結(jié)構(gòu)有限元分析程序 ANSYS對(duì)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分 析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核。 5.2 ANSYS重力壩抗震性能分析步驟 重力壩是一種古老而重要的壩型，主要依靠壩體自身重力來維持壩身的穩(wěn)定。巖基上重力 壩的基本剖面呈三角形，上

5、游面通常是垂直的或者稍傾向下游的三角形斷面。 重力壩的具有很多優(yōu)點(diǎn)： (1) 安全可靠。但剖面尺寸較大，抵抗水的滲漏，洪水漫頂，地震或戰(zhàn)爭破壞的能力都比較 強(qiáng)，因而失事率較低。 (2) 對(duì)地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，壩體作用于地基面上的壓應(yīng)力不高，所以對(duì)地質(zhì)條件的要 求也較低，低壩甚至可修建在土基上。 (3) 樞紐泄洪容易解決，便于樞紐布置。 (4) 施工方便，便于機(jī)械化施工。 (5) 結(jié)構(gòu)作用明確，應(yīng)力計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算比較簡單。 鑒于重力壩有如此多優(yōu)點(diǎn)，所以它得到了廣泛應(yīng)用。 但是許多大壩都是建在地震多發(fā)和高烈度地區(qū)，并且壩還要承受重力、水壓力等長期載荷 的作用，為確保工程和人民生命財(cái)產(chǎn)在偶發(fā)地震

6、載荷作用下的安全，需對(duì)大壩做抗震安全分析。 重力壩抗震性能分析一般分以下五個(gè)步驟： 1、創(chuàng)建物理環(huán)境 2、建立模型和劃分網(wǎng)格 3、施加邊界條件和載荷(地震荷載) 4、求解 5、后處理(查看計(jì)算結(jié)果) 5.2.1創(chuàng)建物理環(huán)境 在定義壩體抗震性能分析問題的物理環(huán)境時(shí)，進(jìn)入ANSYS前處理器，建立這個(gè)壩體抗震 性能分析的數(shù)學(xué)仿真模型。按照以下幾個(gè)步驟來建立物理環(huán)境： 1、設(shè)置GUT菜單過濾 如果你希望通過 GUI路徑來運(yùn)行ANSYS，當(dāng)ANSYS被激活后第一件要做的事情就是選 擇菜單路徑：Main MenuPreferences,執(zhí)行上述命令后，彈出一個(gè)如圖5-1所示的對(duì)話框出現(xiàn) 后，選擇Struc

7、turalo這樣ANSYS會(huì)根據(jù)你所選擇的參數(shù)來對(duì)GUI圖形界面進(jìn)行過濾，選擇 Structural以便在進(jìn)行壩體抗震性能分析時(shí)過濾掉一些不必要的菜單及相應(yīng)圖形界面。 2、定義分析標(biāo)題(/ TITLE ) 在進(jìn)行分析前，可以給你所要進(jìn)行的分析起一個(gè)能夠代表所分析內(nèi)容的標(biāo)題，比如“Dam stability Analysis ”,以便能夠從標(biāo)題上與其他相似物理幾何模型區(qū)別。用下列方法定義分析標(biāo)題。 命令：/ TITLE GUI : Utility MenuFileChange Title 3、說明單元類型及其選項(xiàng)（KEYOPT選項(xiàng)） 與ANSYS的其他分析一樣，也要進(jìn)行相應(yīng)的單元選擇。ANSYS

8、軟件提供了 100種以上的 單元類型，可以用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料，各種不同的單元組合在一起，成為具體的 物理問題的抽象模型。壩體用PLANE42單元來模擬。 大多數(shù)單元類型都有關(guān)鍵選項(xiàng) （KEYOPTS），這些選項(xiàng)用以修正單元特性。例如，PLANE42 有如下KEYOPTS : KEYOPT（2）包含或抑制過大位移設(shè)置 KEYOPT（3）平面應(yīng)力、軸對(duì)稱、平面應(yīng)變或考慮厚度的平面應(yīng)力設(shè)置 KEYOPT （5）解輸出控制 設(shè)置單元以及其關(guān)鍵選項(xiàng)的方式如下： 命令：ET KEYOPT GUI : Main MenuPreprocessorElement Type Add/Edit/Dele

9、te 圖5-1 GUI圖形界面過濾 4定義單位 結(jié)構(gòu)分析只有時(shí)間單位、長度單位和質(zhì)量單位三個(gè)基本單位，則所有輸入的數(shù)據(jù)都應(yīng)當(dāng)是 這三個(gè)單位組成的表達(dá)方式。如標(biāo)準(zhǔn)國際單位制下，時(shí)間是秒（s）,長度是米（m），質(zhì)量是千 克（kg），則導(dǎo)出力的單位是kg? m/s2 （相當(dāng)于牛頓N），材料的彈性模量單位是 kg/m? s2 （相 當(dāng)于帕Pa）。 命令：/UNITS 5、定義材料屬性 大多數(shù)單元類型在進(jìn)行程序分析時(shí)都需要指定材料特性，ANSYS程序可方便地定義各種 材料的特性，如結(jié)構(gòu)材料屬性參數(shù)、熱性能參數(shù)、流體性能參數(shù)和電磁性能參數(shù)等。 ANSYS程序可定義的材料特性有以下三種： （1）線性或非線性

10、。 （2）各向同性、正交異性或非彈性。 （3）隨溫度變化或不隨溫度變化。 因?yàn)檫M(jìn)行壩體抗震性能分析時(shí)，ANSYS默認(rèn)譜分析將忽略材料非線性，因此，壩體抗震 性能分析模型采用彈性模型，只需要定義壩體材料屬性中：容重、彈性模量、泊松比。 命令：MP GUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 或 Mai n Me nuSolutio nLoad Step OptsOtherCha nge Mat PropsMaterial Models 壩體靜力分析時(shí)可考慮材料的非線性，但進(jìn)行抗震性能分析時(shí)，需要將非線性參數(shù)：內(nèi)摩 擦角和內(nèi)聚力刪

11、除。 5.2.2建立模型和劃分網(wǎng)格 創(chuàng)建好物理環(huán)境，就可以建立模型。在進(jìn)行壩體抗震性能分析時(shí)，需要建立模擬壩體的 PLANE82單元。在建立好的模型指定特性（單元類型、選項(xiàng)和材料性質(zhì)等）以后，就可以劃分 有限元網(wǎng)格了。 通過GUI為模型中的各區(qū)賦予特性： 1、選擇 Main Menu PreprocessorMeshing Mesh Attributes Picked Areas 2、點(diǎn)擊模型中要選定的區(qū)域。 3、在對(duì)話框中為所選定的區(qū)域說明材料號(hào)、實(shí)常數(shù)號(hào)、單元類型號(hào)和單元坐標(biāo)系號(hào)。 通過命令為模型中的各區(qū)賦予特性： ASEL （選擇模型區(qū)域） MAT （說明材料號(hào)） TYPE （指定單元類

12、型號(hào)） 建立大壩模型時(shí)，壩體和地基是賦予不同材料屬性，本文只進(jìn)行壩體抗震性能分析。 進(jìn)行大壩3-D模擬分析時(shí)，用SOLID65模擬混凝土單元和SOLID45模擬巖石單元的，2-D 模擬分析時(shí)，只需用一個(gè) PLANE42單元就可以。 5.2.3施加約束和荷載 在施加邊界條件和荷載時(shí)，既可以給實(shí)體模型（關(guān)鍵點(diǎn)、線、面）也可以給有限元模型（節(jié) 點(diǎn)和單元）施加邊界條件和荷載。在求解時(shí)，ANSYS程序會(huì)自動(dòng)將加到實(shí)體模型上的邊界條件 和載荷轉(zhuǎn)遞到有限元模型上。 重力壩抗震性能分析中，主要是給壩體底部施加自由度約束。 命令：D 作用在重力壩上的荷載包含水壓力、冰壓力、泥沙壓力、地震力及壩體自重荷載等。 (

13、1) 自重荷載。由壩體體積和材料的容重算出。 (2) 靜水壓力。作用在壩面上的靜水壓力可根據(jù)靜水力學(xué)原理計(jì)算，分為水平力及垂直力。 1 2 水平力：Psp Hi(5-1) 1 2 _ nHr(5-2) 2 n代表上游壩面坡度系數(shù)。 2 垂直力：Pcz 式中：為水容重，H1代表上游水深， 同理可求得下游壩面的總靜水壓力的水平向分力及垂直分力。 (3) 揚(yáng)壓力。重力壩壩體混凝土或漿砌石砌體不是絕對(duì)不透水的，它們的表面及內(nèi)部存在 著無數(shù)微小的孔隙，壩基巖石本身孔隙雖然很少，但是也存在著節(jié)理、裂隙。重力壩建成擋水 后，在上下游水位差的長期作用下，上游的水將通過這些孔隙及壩體和壩基的接觸面、壩基的 節(jié)

14、理裂隙等向下游滲透，從而使得壩體內(nèi)和壩底面產(chǎn)生滲透水壓力。 (4) 動(dòng)水壓力。在溢流面上作用有動(dòng)水壓力，壩頂曲線和下游面直線段上的動(dòng)水壓力很小， 可忽略不計(jì)。只計(jì)算反弧段上的動(dòng)水壓力。 (5) 冰壓力。在寒冷地區(qū)水庫表面冬季結(jié)成冰蓋，當(dāng)氣溫回升時(shí)，冰蓋發(fā)生膨脹，因而對(duì) 擋水建筑物上游面產(chǎn)生冰壓力。 (6) 泥沙壓力。水庫蓄水后，入庫水流挾帶泥沙，逐年淤積在壩前，對(duì)壩面產(chǎn)生泥沙壓力。 (7) 浪壓力。浪壓力與風(fēng)速和水庫吹程有關(guān)，但在荷載中所占比重較小，通常忽略。 (8 )地震荷載。主要是由建筑物質(zhì)量引起的地震慣性力、地震動(dòng)水壓力和動(dòng)土壓力。 5.2.4求解 1.靜力求解 首先對(duì)重力壩進(jìn)行靜力求解

15、：在ANSYS程序根據(jù)現(xiàn)有選項(xiàng)的設(shè)置，從數(shù)據(jù)庫獲取模型和 載荷信息并進(jìn)行計(jì)算求解，將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入到結(jié)果文件和數(shù)據(jù)庫中。得到壩體在靜力荷載作用 下的位移場與應(yīng)力，了解壩體在設(shè)計(jì)條件下的工作形態(tài)，對(duì)混凝土重力壩方案的可靠性進(jìn)行評(píng) 價(jià)評(píng)價(jià)大壩 命令：SOLVE GUI: Main MenuSolutionSolveCurrent LS 2動(dòng)力分析求解 由于地震時(shí)的地面運(yùn)動(dòng)以水平方向?yàn)橹?，在地震力作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)也以水平振動(dòng)為主， 故本次分析只考慮了水平方向的地震載荷的作用。對(duì)重力壩抗震性能計(jì)算分析可以采用以下幾 種方法： 1) 擬靜力法 擬靜力法是一種把地震的影響用一種折算的靜載荷來表示，求出這種地

16、震荷載后，按照常 規(guī)的靜力法進(jìn)行壩體的各項(xiàng)應(yīng)力、位移的抗震分析方法。它是假定地震時(shí)與地面加速度相同的 加速度作用在壩體各部位，求出地震時(shí)的慣性力，然后根據(jù)慣性力來評(píng)價(jià)大壩的安全性。 根據(jù)擬靜力分析方法，大壩的水平地震慣性力可簡化為： Qh KhCzFW 式中： Kh 水平向地震系數(shù)，為地面最大水平加速度代表值與重力加速度的比值； Cz 綜合影響系數(shù)，重力壩取為1/4； F 地震慣性力系數(shù)； W產(chǎn)生慣性力的建筑物的總重量。 采用擬靜力法計(jì)算重力壩的地震作用效應(yīng)時(shí)，水深h處的地震動(dòng)水壓力的代表值的計(jì)算: Pw(h) ah (h) wH o 式中： FW (h)作用在直立迎水壩面水深 h處的動(dòng)水壓力

17、代表值； ah水平向地震加速度的代表值，地震烈度為8時(shí)對(duì)應(yīng)的值是0.2g； 地震作用效應(yīng)折減系數(shù)，除另有規(guī)定外，取0.25; (h)水深h處的地震動(dòng)水壓力分布系數(shù)； w水體質(zhì)量密度的標(biāo)準(zhǔn)值； H 0 水總深度。 與水平面夾角為的傾斜迎水壩面，按公式(5-4)計(jì)算的動(dòng)水壓力代表值乘以折減系數(shù)： c /90 2) 反應(yīng)譜分析法 反應(yīng)譜分析法是以單質(zhì)點(diǎn)彈性體系在實(shí)際地震過程中的反應(yīng)為基礎(chǔ)，來進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)的分 析，它通過反應(yīng)譜巧妙地將動(dòng)力問題靜力化，使得復(fù)雜的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算變得簡單易行。按 照這一理論，應(yīng)用地震譜曲線，就可以按照實(shí)際地面運(yùn)動(dòng)來計(jì)算建筑物的反應(yīng)。反應(yīng)譜是單點(diǎn) 彈性體系對(duì)于實(shí)際地面運(yùn)動(dòng)的

18、最大反應(yīng)和體系自振周期的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以簡化 為若干振型的疊加，每個(gè)振型又可轉(zhuǎn)化為一個(gè)單質(zhì)點(diǎn)來考慮。使用已經(jīng)確定的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜計(jì)算 重力壩在地震作用下的反應(yīng)，就歸結(jié)為尋求壩體的自振特性。 (5-3 ) (5-4 ) (5-5 ) 地震產(chǎn)生的破壞，與受力大小和受頻譜的最大振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間的都有關(guān)系。在進(jìn)行譜分析 計(jì)算前，首先要計(jì)算大壩的自振特性。模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率 和振型，它們是結(jié)構(gòu)承受動(dòng)態(tài)荷載設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，也是更詳細(xì)的動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。 模態(tài)分析計(jì)算中采用了子空間迭代法提取模態(tài)。水深h處的地震動(dòng)水壓力的作用按公式 (5-6) 轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的壩面附加質(zhì)量。

19、7； Pw(h) 8 ah w.H0h( 5-6 ) 根據(jù)如圖5-2所示的大壩設(shè)計(jì)的反應(yīng)譜曲線圖，可得大壩反應(yīng)譜曲線方程： 110T( max 1)，0T 0.1 0.1 T Tg (5-7) max， 圖5-2大壩設(shè)計(jì)反應(yīng)譜 本次重力壩抗震性能分析中， max取值為2，Tg取值為0.2,特征周期T。取值為0.2S。 3) 時(shí)程分析法 時(shí)程分析方法是將地震動(dòng)記錄或人工波作用在結(jié)構(gòu)上.直接對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分，求得 結(jié)構(gòu)任意時(shí)刻地震反應(yīng)的分析方法，所以動(dòng)態(tài)時(shí)程分析方法也稱為直接積分法。 本次大壩抗震性能實(shí)例分析采用反應(yīng)譜分析方法。 5.2.5后處理 后處理的目的是以圖和表的形式描述計(jì)算結(jié)果。對(duì)

20、于大壩抗震性能分析中，進(jìn)入后處理器 后，查看大壩變形圖和節(jié)點(diǎn)的位移和應(yīng)力。通過研究大壩的變形、位移和應(yīng)力情況，來綜合判 斷大壩的抗震性能及安全性能。 命令：/ P0ST1 GUI: Main MenuGeneral Postproc 首先查看大壩靜力分析求解結(jié)果，再查看大壩動(dòng)力分析求解結(jié)果。 5.3 ANSYS重力壩抗震性能實(shí)例分析 5.3.1實(shí)例介紹 圖5-3重力壩斷面結(jié)構(gòu) 實(shí)例選取應(yīng)用非常廣泛的重力壩，斷面結(jié)構(gòu)如圖5-3所示。壩高120米，壩底寬為76米，壩 頂為10米，上游壩面坡度和下游壩面坡度如圖中所示。 因?yàn)橹亓谓Y(jié)構(gòu)比較簡單，垂直于長度方向的斷面結(jié)構(gòu)受力分布情況也基本相同，并且大

21、壩的縱向長度遠(yuǎn)大于其橫斷面，因此大壩抗震性能分析選用單位斷面進(jìn)行平面應(yīng)變分析是可行 的。 大壩抗震性能分析的計(jì)算條件如下： 1）假設(shè)大壩的基礎(chǔ)是嵌入到基巖中，地基是剛性的。 3 2） 大壩采用的材料參數(shù)為：彈性模量E=35GPa,泊松比 =0.2，容重 =25KN/ m 。 3）計(jì)算分析大壩水位為120米。 3 4）水的質(zhì)量密度1000kg/m。 5）大壩設(shè)防地震烈度為8，水平方向地震加速度值為0.2g。 5.3.2 GUI操作方法 5.3.2.1創(chuàng)建物理環(huán)境 1）在【開始】菜單中依次選取【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYS Product Launcher】, 得到10.0AN

22、SYS Product Lau ncher ”對(duì)話框。 2）選中【File Management】，在 “Working Directory ” 欄輸入工作目錄 “D:ansysexample5-1”, 在Job Name欄輸入文件名Dam ”。 3）單擊“ RUN ”按鈕，進(jìn)入 ANSYS10.0的GUI操作界面。 4） 過濾圖形界面： Main MenuPreferences,彈出“ Preferences for GUI Filtering”對(duì)話框, 選中“ Structural來對(duì)后面的分析進(jìn)行菜單及相應(yīng)的圖形界面過濾。 5）定義工作標(biāo)題：Utility Menu File Chang

23、e Title，在彈出的對(duì)話框中輸入“ Dam seismic Analysis”，單擊“ OK”，如圖 5-4。 田 Ch曰nge Till巳 2d /TITLE Enter new tide am seismiiq Analysis l-lelp Cancel 圖5-4定義工作標(biāo)題 6）定義單元類型： a. 定義 PLANE42 單元：Ma in Me nu Preprocessor Eleme nt Type Add/Edit/Delete，彈出一 個(gè)單元類型對(duì)話框，單擊“ Add”按鈕。彈出如圖5-5所示對(duì)話框。在該對(duì)話框左面滾動(dòng)欄中選 擇“ Solid ”，在右邊的滾動(dòng)欄中選擇“ Q

24、uad 4node 42”單擊“ Apply ”，就定義了“ PLANE42 ” 單元。 圖5-5定義PLANE42單元對(duì)話框 b. 設(shè)定 PLANE42 單元選項(xiàng)：Main Menu PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，彈 出一個(gè)單元類型對(duì)話框，選中“Type 2 PLANE42 ”單擊“Options”按鈕，彈出一個(gè)“PLANE42 element Type options”對(duì)話框，如圖 5-6所示。在“ Element behavior K3 欄后面的下拉菜單中 選取“ Plane strain”其它欄后面的下拉菜單采用ANSYS默認(rèn)設(shè)置就可以

25、，單擊“ OK”按鈕。 xJ | No eitra output Options for PLAJJE42, Elsnsnt Type Ref No. 1 Element ooorl system defined KI Exj a disp lace rrent sTipe$煜 Extra stress oucutK5 OK Cancel Ejtra surface outputK6 圖5-6 PLANE42單元庫類型選項(xiàng)對(duì)話框 通過設(shè)置PLANE42單元選項(xiàng)“ K3 ”為“ Plane strain”來設(shè)定本實(shí)例分析采取平面應(yīng)變模 型進(jìn)行分析。因?yàn)榇髩问强v向很長的實(shí)體，故計(jì)算模型可以簡化為平

26、面應(yīng)變問題。 7）定義材料屬性 執(zhí)行 Main MenuPreprocessor Material Props Material Models，彈出 “ Define Material Model Behavior ”對(duì)話框，如圖 5-7所示。 圖5-7定義材料本構(gòu)模型對(duì)話框 在圖5-7中右邊欄中連續(xù)雙擊StructuralLinear Elasticlsotropic”后，又彈出如圖 5-8 所示Lin ear Isotropic Properties for Material Number 1 ” 對(duì)話框，在該對(duì)話框中EX ”后面的輸 入欄輸入“ 3.5E10”，在“PRXY”后面的輸入欄

27、輸入“ 0.2”，單擊“ OK”。再在選中“ Density” 并雙擊，彈出如圖5-9所示“ Density for Material Number 1 對(duì)話框，在DENS”后面的欄中輸 按鈕。 入邊坡土體材料的密度“ 2500”，單擊“ OK ” !3l ineaknlr叩杞 Properties fohlaterla L izar soTp c loafer tai Proper D AcjaJy *13 圖5-36壩體變形圖 ANSA J1.W 4 tdCrt 21： 5-37節(jié)點(diǎn)解云圖繪制對(duì)話框 c. 顯示壩體 x 方向位移云圖：Ma in Men uGe neral Postproc

28、Plot ResultsCo ntour PlotNodal Solu，彈出一個(gè)“ Con tour Nodal Solution Data ”對(duì)話框，如圖5-37所示，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊“ Nodal Solution/DOF Solution/ X-Compoment of displacement ”，再單擊OK” 按鈕，就得到壩體 X 方向 位移云圖，如圖5-38所示。此時(shí)，壩體水平方向最大位移為 12.111mm，位置發(fā)生在壩頂。 圖5-38 壩體x方向位移云圖 d. 顯示壩體 y 方向位移云圖： Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour

29、PlotNodal Solu，彈出一個(gè)“ Con tour Nodal Solution Data ”對(duì)話框，如圖5-37所示，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊“ Nodal Solution/Stress/ Y-Compoment of displacement”，再單擊OK” 按鈕，就得到壩體 Y 方向位移云 圖，如圖5-39所示。此時(shí)，壩體垂直方向最大位移為 0.44mm，發(fā)生在壩腹處。 5a- -s- TlWii nr 4： -xu心 i:,- j-31- .:tlf I 圖5-39壩體y方向位移云圖 e. 顯示壩體 x 方向應(yīng)力云圖： Ma in Men uGe neral PostprocPlot

30、ResultsCo ntour PlotNodal Solu，彈出一個(gè)“ Con tour Nodal Solution Data ”對(duì)話框，如圖5-37所示，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊“ Nodal Solution/stress/ x-Compoment of stress,再單擊OK”按鈕，就得到壩體 x方向應(yīng)力云圖，女口 圖5-40所示。 f. 顯示壩體 y 方向應(yīng)力云圖：Ma in Men uGe neral PostprocPlot ResultsCo ntour PlotNodal Solu，彈出一個(gè)“ Con tour Nodal Solution Data ”對(duì)話框，如圖5-37所示，用

31、鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊“ Nodal Solution/stress/ y-Compoment of stress,再單擊OK”按鈕，就得到壩體 x方向應(yīng)力云圖，女口 圖5-41所示。 圖5-40壩體x方向應(yīng)力云圖 圖5-41壩體y方向應(yīng)力云圖 g.顯示壩體第一主應(yīng)力云圖： Mai n Me nuGe neral PostprocPlot ResultsCo ntour PlotNodal 圖5-42第一主應(yīng)力云圖 Solu，彈出一個(gè)“ Con tour Nodal Solution Data ”對(duì)話框，如圖5-37所示，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊“ Nodal Solution/stress/ 1st princ

32、ipal stress,再單擊OK”按鈕，就得到壩體第一主應(yīng)力云圖， 如圖5-42 所示。 2. 抗震性能分析求解結(jié)果 1）繪制壩體振型圖 a. 讀入模態(tài)分析分析求解結(jié)果數(shù)據(jù)：Utility Menu resume，彈出一個(gè)Resume Database 對(duì)話框，選中剛才保存的文件Dam-modal.db”，單擊OK”按鈕。 b. 繪制壩體第1階震型 讀入第 1 階數(shù)據(jù)：Main Me nuGe neral PostprocRead ResultsFirst set. 繪制壩體第 1 階震型：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape

33、，彈出一 個(gè)Plot Deform Shape對(duì)話框，選中Def +undeformed”，單擊OK ”按鈕，得到壩體第 1 階震型，如圖5-43所示。 c. 繪制壩體第2階震型 讀入第 2 階數(shù)據(jù)：Main MenuGeneral PostprocRead ResultsNext set. 繪制壩體第 2 階震型：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape，彈出一 個(gè)Plot Deform Shape對(duì)話框，選中Def +undeformed”，單擊OK ”按鈕，得到壩體第 2 階震型，如圖5-44所示。 圖5-43壩體第1階振型

34、依次重復(fù)執(zhí)行c步驟，就可以依次畫出壩體第 圖5-44壩體第2階振型 3到第18階振型，如圖5-45圖5-60所示。 d. 調(diào)出模態(tài)分析結(jié)果的固有頻率和振型：Main Me nu Ge neral Postproc Read Summary,彈 出如圖5-26所示對(duì)話框。 ANSYS10.0 土木工程應(yīng)用實(shí)例分析 圖5-49壩體第7階振型圖5-50壩體第8階振型 圖5-45壩體第3階振型 圖5-46壩體第4階振型 圖5-47壩體第5階振型 圖5-48壩體第6階振型 第5章ANSYS水利工程應(yīng)用實(shí)例分析 圖5-55壩體第13階振型圖5-56壩體第15階振型 AN、 皿4 2 M -b LflX.

35、討律“rtlWT D ul P-Miutaj 圖5-51壩體第9階振型 圖5-52壩體第10階振型 圖5-53壩體第11階振型 圖5-54壩體第12階振型 TK 4 111? inis tJb -13 JTEXL 艱+L4 OSD -E* EE au d 2HDL3IA ANSYS10.0 土木工程應(yīng)用實(shí)例分析 圖5-57壩體第15階振型 圖5-58壩體第16階振型 圖5-60壩體第18階振型 Utility Menuresume，彈出一個(gè)Resume Dam- comination.db ”，單擊OK 按鈕。 圖5-59壩體第17階振型 2）繪制壩體位移云圖 a讀入抗震性能分析最終求解結(jié)果數(shù)

36、據(jù)： Database對(duì)話框，選中剛才保存的文件 b繪制合并模態(tài)求解后壩體位移云圖： 因?yàn)轫憫?yīng)譜分析是在頻域內(nèi)進(jìn)行的，對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性依賴于頻率而變化，因此在模態(tài)分 析后要進(jìn)行模態(tài)合并求解，才能得到壩體結(jié)構(gòu)真實(shí)的總體效應(yīng)。合并模態(tài)求解后，得到壩體在 各階頻率的真實(shí)位移云圖。 讀入第 1 階數(shù)據(jù)：Main Me nuGe neral PostprocRead ResultsFirst set. 繪制壩體第 1 階位移云圖：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，彈出一個(gè)Con tour Nodal Solution

37、Data 對(duì)話框，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊 Nodal Solutio n/DOF Solution/ x-Compoment of displacement得到壩體第1階x方向位移云圖，如圖 5-61所示.同法選 擇y-Compoment of displacement,得到壩體第1階y方向位移云圖，如圖 5-62所示。 讀入下一階數(shù)據(jù)：Main Me nuGe neral PostprocRead ResultsNext set. 繪制壩體下一階位移云圖：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，彈出一個(gè)Con tour

38、Nodal Solution Data 對(duì)話框，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊Nodal Solutio n/DOF 第5章ANSYS水利工程應(yīng)用實(shí)例分析 Soluti on/ x-Compome ntof displaceme nt得到壩體下一階 x方向位移云圖，如圖 5-63所示.同法選 擇y-Compoment of displacement,得到壩體下一階階 y方向位移云圖，如圖 5-64所示。重復(fù)讀 入下一個(gè)數(shù)據(jù)，可繪制出合并模態(tài)求解后壩體真實(shí)位移云圖，如圖5-65圖5-72所示。 圖5-65壩體第3階x方向位移云圖圖5-66壩體第3階y方向位移云圖 TW 5IE .ailMW 圖5-61壩體第1階

39、x方向位移云圖 圖5-62壩體第1階y方向位移云圖 圖5-63壩體第2階x方向位移云圖 b-QA MLlLkC 圖5-64壩體第2階y方向位移云圖 MLtHEOV MUI IM mji-u. I AW 4* * SBC *-.118-1 kHrei*4 *u jwliU c AxwljfjAjr 圖5-69壩體第5階x方向位移云圖 圖5-68壩體第4階y方向位移云圖 m百 EK綸 in: iMiuju rW - fflK - El】 L-IL 圖5-70壩體第5階y方向位移云圖 第5章ANSYS水利工程應(yīng)用實(shí)例分析 3）繪制壩體應(yīng)力 讀入第1階數(shù)據(jù): /應(yīng)變云圖 Main Menu Ge ne

40、ral PostprocRead ResultsFirst set. 繪制壩體第 1 階應(yīng)力：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu , 彈出一個(gè)Contour Nodal Solution Data” 對(duì)話框，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊Nodal Solution/ stress/ x-Compoment of stress得到壩體第1階x方向應(yīng)力云圖，如圖5-73所示。同法選擇y-Compoment of stress/1st principal stress/,得到壩體第1階y方向應(yīng)力/第 1主應(yīng)力云圖，如圖 5-74和

41、圖5-75 所示。 繪制壩體第 1 階主應(yīng)變云圖：Main Me nuGe neral PostprocPlot ResultsCo ntour PlotNodal Solu，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊Nodal Solution/ strain/1st principal strain ”得到壩體第1階第1主應(yīng)變云 圖，如圖5-76所示。 讀入下一階數(shù)據(jù)： Main Me nuGe neral PostprocRead ResultsNext set. 繪制壩體下一階應(yīng)力/應(yīng)變云圖：與繪制第1階一樣，就可以繪制出下一階壩體應(yīng)力/應(yīng)變 云圖。重復(fù)讀入下一個(gè)數(shù)據(jù)，可繪制出合并模態(tài)求解后壩體應(yīng)力云圖，如圖5-

42、77圖5-7 圖5-75壩體第1階第1主應(yīng)力云圖圖5-76壩體第1階第1主應(yīng)變云圖 圖5-73壩體第1階x方向應(yīng)力云圖 圖5-74壩體第1階y方向應(yīng)力云圖 ANSYS10.0 土木工程應(yīng)用實(shí)例分析 圖5-81壩體第3階第1主應(yīng)力云圖圖5-82壩體第3階第1主應(yīng)變云 圖5-77壩體第2階x方向應(yīng)力云圖 圖5-78壩體第2階y方向應(yīng)力云圖 圖5-79壩體第2階第1主應(yīng)力云圖 圖5-80壩體第2階第1主應(yīng)變云圖 第5章ANSYS水利工程應(yīng)用實(shí)例分析 圖5-88壩體第4階第1主應(yīng)力云圖圖5-89壩體第5階第1主應(yīng)變云 U u. jflM；科 糾X Jsm 3 呻 M* d-LCr.: KHL MUM

43、卯 AlllTTIJ 圖5-84壩體第3階x方向應(yīng)力云圖 圖5-85壩體第3階y方向應(yīng)力云圖 Ft 昭-4 到I哋 sto-t :W TSeMS -ZM2I5-LMI-tW ”刪門VI卯I -Z2EW 4UM1 3flT 7UE MW 圖5-86壩體第4階x方向應(yīng)力云圖 圖5-87壩體第4階y方向應(yīng)力云圖 ET1 .-4 IFU$“ ；l ! 傅 nr 士丄醬述 Err?tii|. UMJ4 -J-EalEI .loeinT 5rU NLI* ，:HI：4. ANSYS10.0 土木工程應(yīng)用實(shí)例分析 圖5-94壩體第7階x方向應(yīng)力云圖圖5-95壩體第7階y方向應(yīng)力云圖 圖5-90壩體第5階第1

44、主應(yīng)力云圖 圖5-91壩體第5階第1主應(yīng)變云 圖5-92壩體第5階x方向應(yīng)力云圖 圖5-93壩體第5階y方向應(yīng)力云圖 ANSYS10.0 土木工程應(yīng)用實(shí)例分析 圖5-96壩體第7階第1主應(yīng)力云圖 - 進(jìn)行模態(tài)求解時(shí)并沒有同時(shí)進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展, 圖5-97壩體第7階第1主應(yīng)變云圖 而是在獲得譜解后又單獨(dú)進(jìn)行了擴(kuò)展模態(tài)求解。 !指定結(jié)構(gòu)分析 !定義工作標(biāo)題 定義工作文件名 !定義壩體單元 !定義平面應(yīng)變 !彈性模量 !泊松比 !密度 !創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn) 這樣，有明顯意義的模態(tài)為1,2, 3, 4, 5和 7階模態(tài)。 - 大壩水平方向最大位移發(fā)生在壩頂。 5.3.2命令流實(shí)現(xiàn) (1) 創(chuàng)建物理環(huán)境 /COM,

45、 Structural /TITLE, Dam seismic An alysis /FILNAM,dam,1 (2) 建立模型 !進(jìn)入前處理器 /PREP7 !定義單元類型 ET,1,PLANE42 KEYOPT,1,3,2 !定義壩體材料屬性 MP,EX,1,3.5E10 MP,PRXY,1,0.2 MP,DENS,1,2500 !創(chuàng)建壩體線模型 K,1, K,2,76, K,3,15.6,104.1, K,4,15.6,120” K,5,5.6,120, 1,1,2 1.2.3 1.3.4 !連接關(guān)鍵點(diǎn)1、2生成直線 1,4,5 1,5,1 !創(chuàng)建邊坡面模型 /PNUM, kp, on

46、!劃分網(wǎng)格生成有限元模型 !打開關(guān)鍵點(diǎn)號(hào)開關(guān) lsel,s,1 !選擇線L1 lesize,all,20 !把所選擇線分為20段 lsel,s,2 !選擇線L2 lesize,all,32 !把所選擇線分為32段 lsel,s,3 !選擇線L1 lesize,all,6 !把所選擇線分為6段 lsel,s,4 !選擇線L2 lesize,all,4 !把所選擇線分為4段 lsel,s,5 !選擇線L2 lesize,all,40 !把所選擇線分為40段 amesh,all !劃分壩體單元 save,dam-grid.db !保存網(wǎng)格模型 a,1,2,3,4,5!由關(guān)鍵點(diǎn)生成面 !劃分壩體單元網(wǎng)

47、格 !設(shè)置網(wǎng)格份數(shù) 施加約束和荷載 !壩體底部施加約束 n sel,s,loc,y,0 !選擇Y=0線上所有節(jié)點(diǎn) d,all,uy !對(duì)所選擇節(jié)點(diǎn)約束X、Y方向位移 d,all,ux acel,9.8 sfl,5,pres,0,1101370 (4)求解 1)靜力分析求解 /solu an type,static !施加重力加速度 !施加水壓力荷載 !設(shè)定為靜力求解 nsubst,100 !設(shè)定最大子步數(shù)為100 In srch, on !打開線性搜索 allsel solve !進(jìn)行求解 save,dam-static,db !保存求解結(jié)果數(shù)據(jù) fin ish 2）抗震性能分析求解 !模態(tài)分

48、析 /solu an type,modal !設(shè)定為模態(tài)求解 modopt,subsp,18 !米用子空間迭代法提取18階模態(tài) solve !進(jìn)行模態(tài)求解 save,dam-modal,db !保存求解結(jié)果數(shù)據(jù) set,list !調(diào)出模態(tài)分析各階頻率 fin ish !反應(yīng)譜分析 /solu an type,spectrum !設(shè)定為反應(yīng)譜求解 spopt,sprs,18,yes !設(shè)置單點(diǎn)反應(yīng)譜分析選項(xiàng) svtyp,2 !設(shè)定為地震加速度譜分析 sed,1,0,0 !定義反應(yīng)譜激磁方向是 x方向 freq,3.5138,8.073,11.118,14.3,21.776,24.98,30.7

49、34,34.119,36.263,39.043,40.852,43.237,47.907,4 9.679,52.521,56.661,58.613 !輸入振動(dòng)頻率 sv,1.456,2,1.899,1.699,1.459,1.4,1.325,1.293,1.276,1.256,1.245,1.231,1.209,1.201,1.191,1.18,1.176 ,1.171 !輸入對(duì)應(yīng)反應(yīng)譜值 solve !進(jìn)行求解 save,Dam-spectrum,db !保存求解結(jié)果 !模態(tài)擴(kuò)展求解 /solu an type,modal !設(shè)定為模態(tài)求解 expass, on !定義為模態(tài)擴(kuò)展分析 mxpa nd,18,yes,0.001 !設(shè)置模態(tài)擴(kuò)