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ANSYS重力坝课程设计

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重力坝三维仿真分析

一、课题背景

一座大坝的建成，往往要耗费一两年甚至更长的时间，并且大坝往往涉及到其下游千万人的生命与财产，因此经济效益和安全可靠是两个十分重要的问题。如何保证结构安全可靠，一是要求结构设计合理，二是要科学地安排施工期。对于这样重要而影响因素复杂的建筑物，采用试验来模拟成本太高、周期太长、难以通过改变试验参数进行设计及优化，而且许多复杂情况无法用试验进行模拟。现在普遍采用的方法是数值模拟技术即计算机仿真，其中以ANSYS有限元分析软件的应用最为普遍。

二、课题分析

1．重力坝的工作原理及特点

重力坝是用浆砌石或混凝土材料修筑而成的挡水建筑物。一般做成上游面近似垂直的三角形断面，主要依靠坝体的重量，在坝体和地基接触而间产生抗剪强度或摩擦力，来抵抗水库的水推力，以达到稳定的要求：同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的坝体上游侧面拉应力，以满足坝身强度的要求。重力坝具有以下几个特点：

在枢纽布置中，重力坝的泄水问题比较容易解决．在重力坝坝体内还容易布置泄水孔或水电站的引水管道等。

重力坝地基承受很大的压力作用，对地基的要求比-殷的土石坝要高，但比拱坝的要求低，量力坝一般修建在岩基上。

重力坝易于通过较低坝块或底孔进行导流，比土石坝施工导流更为简单和安全。

重力坝是大体积混凝土，施工时混凝土的水化发热和散热、硬化收缩．将引起坝体内温度和收缩应力，可能使坝体产生裂缝。

坝体材料和地基在一定程度上都是透水的，埂体和地基内的渗流会产生渗透压力。

坝体内的应力分布一般不均匀，较多部位的压应力通常不是很大，没有充分发挥材料的性能。

2．重力坝的戴荷

作用在重力坝上的载荷主要有以下几种：坝体及其坝上永久设备的自重，上下游坝面上的静水压力，溢流坝反弧段上的动水压力、扬压力、、‘泥沙压力、浪压力、冰压力、地震载荷等。

◆水压力

作用在坝面上的静水压力可按静水力学原理计算，分为水平及垂直两个方向进行；溢流重力坝泄水时，由于动量守恒，泄流面上回产生动水压力。由图8-1可知：

静水水平力：2211321122PHPH

静水垂直力：2221421122PmHPnH 式中，H1、H2为上、下游水深； 为水的容重；m，n为上、下游坝面坡度。泄水时动水压力的计算可参考《水工建筑物》。

◆ 扬压力

混凝土内存在着空隙，坝基岩石本身的空隙率很小，但存在着节理裂缝，这就导致在水库蓄水后，在上、下游水位差的作用下，库水会经过坝体及坝基渗向下游，不但造成库容损失，还会引起渗透压力，使坝体的有效重量减小。

库水经坝基向下游渗透时，渗透水流沿程受到阻力，造成水头损失，如图8-1所示上游坝踵处的扬压力强度为1H，下游坝址处的扬压力强度为2H。通常假设从坝踵到坝址呈直线变化。途中矩形部分是下游水深H2形成的上举力，即托浮力：三角形部分是由上下游水位差形成的渗透水流产生的上举力，即渗透压力。坝底扬压力是托浮力与渗透压力之和。

◆ 地震载荷

地震载荷包括由建筑物质量引起的地震惯性力、地震动水压力、动土压力，至于地震对扬压力、浪压力的影响，因其数值较小，常不予考虑。

3．重力坝有限元建模：

由有限元法求解坝体和基岩位移和应力应变响应时，关键是整体刚度矩阵K。对于一般的水库大坝，其刚度矩阵应该由坝体和基岩等单元刚度矩阵组合而成，即K=K1+K2。

其中K1表示坝体单元的总刚度矩阵，既受坝体自身刚度的影响，又受基硇腑索的影响；

K2表示基岩单元的总刚度矩阵，主要取决于所考虑的范围大小及边界约束条件。数值模拟

计算只能在有限的区域内进行，为了减小计算误差，必须选取合适的计算范圈。

根据圣维南原理，若大坝的基础（含坝基和两侧岩石），越大大，则基础边界约束条件的变化情况对坝体中应力和位移的影响越小。由实际工程研究可知，当坝体的基础尺寸达到一定范围后，坝体的应力和位移几乎不受计算范围的影响。所以，在进行一般的水坝数值仿真分析时，有必要先完成如下分析：在外部、内部条件一致的条件下，改变大坝基础的尺寸，完成相应的分析，比较分析结果，选择合适的基础尺寸。

三、课题内容

某一混凝土重力坝，断面如图8-2所示，坝高180m，上游坡面垂直，下坡面系数m=0.75。坝基上游取1.5倍坝高，下游取2倍坝高，坝基深度取2倍坝高，埂顶长1.5倍坝高，坝顶宽0.1倍坝高。上游库容lOOm，下游水位800。具体材料如下。

(1)大坝：100m以下混凝土，弹性模量E=2.85e10Pa，泊松比为v=0.167，密度为2400kg/m3，张开剪切传递系数为0.3，抗拉强度ft=1.96e6Pa,扰压强度ft=22e6Pa；100m以上混凝土，弹性模量E=2.6e10Pa，泊松比为0.167。密度为2400kg/m3。张开剪切传递系数为0.3，抗拉强度fc=1.2e6Pa，抗压强度ft=17.5e6Pa。

(2)基岩：弹性模量E=2.9e10Pa，泊松比为0.3．密度为2600kg/m3。

(3)根据水工建筑抗震设计规范，对于重力坝，反应谱代表值为max2，0.2gT，其表达式为：

0.9101,00.12,0.10.40.2/*2,0.43TTTTT

计算的基本假定：

坝体和坝基连续，即坝体与坝基之间紧密联系在一起；

坝基和坝体的材料是均匀的，非线性的；

基岩模型采用线弹性本构模型。 四、建模与后处理

重力坝模型 重力及上游静水压力

下游静水压力 1XYZ ELEMENTSDSYS=111XYZ .116E-09109000218000327000436000545000654000763000872000981000ELEMENTSPRES-NORM1XYZ -.116E-0987200174400261600348800436000523200610400697600784800ELEMENTSDSYS=12PRES-NORM 上游水位产生的渗透压力

扬压力

X方向变形图 11112XYZ 588600697600806600915600.102E+07.113E+07.124E+07.135E+07.146E+07.157E+07ELEMENTSPRES-NORM11112XYZ 589600720289850978981667.111E+07.124E+07.137E+07.150E+07.164E+07.177E+07ELEMENTSPRES-NORM1MNMX1112XYZ -.019465-.017145-.014825-.012505-.010185-.007865-.005544-.003224-.904E-03.001416NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1UX (AVG)RSYS=0DMX =.112469SMN =-.019465SMX =.001416 Y方向变形图

第一主应变

第一主应力 1MNMX1112XYZ -.11241-.108778-.105147-.101516-.097885-.094253-.090622-.086991-.08336-.079728NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1UY (AVG)RSYS=0DMX =.112469SMN =-.11241SMX =-.0797281MNMX1112XYZ -.441E-05.355E-05.115E-04.195E-04.274E-04.354E-04.434E-04.513E-04.593E-04.673E-04NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1EPEL1 (AVG)DMX =.112469SMN =-.441E-05SMX =.673E-041MNMX1112XYZ -.154E+07-.116E+07-780729-400200-19672360856741385.112E+07.150E+07.188E+07NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1S1 (AVG)DMX =.112469SMN =-.154E+07SMX =.188E+07 第一阶变形图

第三阶变形图

第五阶变形图 1MNMX1112XYZ .437E-07.249E-06.455E-06.660E-06.866E-06.107E-05.128E-05.148E-05.169E-05.189E-05NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1FREQ=1.46USUM (AVG)RSYS=SOLUDMX =.189E-05SMN =.437E-07SMX =.189E-051MNMX1112XYZ .950E-06.103E-05.111E-05.118E-05.126E-05.134E-05.142E-05.150E-05.157E-05.165E-05NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =3FREQ=1.664USUM (AVG)RSYS=SOLUDMX =.165E-05SMN =.950E-06SMX =.165E-051MNMX1112XYZ .176E-05.298E-05.419E-05.540E-05.661E-05.783E-05.904E-05.103E-04.115E-04.127E-04NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =6FREQ=2.055USUM (AVG)RSYS=SOLUDMX =.127E-04SMN =.176E-05SMX =.127E-04 第一阶第一主应力分布

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基于ANSYS的小型重力坝坝形优化分析

基于ANSYS的小型重力坝坝形优化分析

水力发电　第３７卷第８期　２０１１年８月　

基于ＡＮＳＹＳ的小型重　力坝坝形优化分析　

王开拓，辛全才，纪新帅　

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌７１２１００）　

摘要：为获得经济、合理的小型重力坝坝形，采用ＡＮＳＹＳ建立了曲线坝面参数模型和传统断面参数模型。通过探　讨小型重力坝不同坝形的应力分布、坝体尺寸、面积等差异，并在不同坝形、不同坝高的情况下进行优化分析。结　

果表明，曲线形重力坝明显优于传统的三角形重力坝，并且更适合于低坝。　关键词：ＡＮＳＹＳ：曲线形重力坝：优化分析　

ＡＮＳＹＳ—ｂａｓｅｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ＳｍａｌＩ　Ｇｒａｖｉｔｙ　Ｄａｍ　

Ｗａｎｇ　Ｋａｉｔｕｏ，Ｘｉｎ　Ｑｕａｎｃａｉ，Ｊｉ　Ｘｉｎｓｈｕａｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ＆Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ａ＆Ｆ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ　７１２１００，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ａｎｄ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｓｈａｐｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｍａｌｌ　ｇｒａｖｉｔｙ　ｄａｍ，ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　ｃｕｒｖｅｄ　ｄａｍ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ＣＲＯＳＳ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ＡＮＳＹＳ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｄａｍ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｈａｐｅ　ａｎｄ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｓｈａｐｅ　ａｎｄ　ｈｅｉｇｈｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅｄ　ｇｒａｖｉｔｙ　ｄａｍ　ｉｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｔｒｉａｎｇｌｅ—ｓｈａｐｅｄ　ｇｒａｖｉｔｙ　ｄａｍ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｌｏｗ　ｄａｍ．　

ANSYS课程设计报告6-11

ANSYS课程设计报告6-11

- 1 -

设计报告目 录

第1章 概 述........................................ 错误！未定义书签。

1.1课程设计的意义、目的.......................... 错误！未定义书签。

1.2课程设计研究的内容........................... 错误！未定义书签。-

第2章 ANSYS详细设计步骤 ........................... 错误！未定义书签。

2.1问题分析...................................... 错误！未定义书签。

2.2 基于ANSYS分析的简要步骤 ..................... 错误！未定义书签。

第3章 设计结果及分析................................ 错误！未定义书签。

3.1得到实验模型的应力应变分布图.................. 错误！未定义书签。

3.2模型实验结果分析.............................. 错误！未定义书签。

结论................................................. 错误！未定义书签。

参考文献............................................. 错误！未定义书签。

设计报告

第1章概述

1.1 课程设计的意义、目的

1）ANSYS模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，他们是承受动态载荷的重要参数，也可作为其他动力学分析的起点，是进行谱分析或模态叠加法普响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。模态分析在动力学分析过程中必不可少的一个步骤，在谱响应分析、

- 2 - 175mm25mm175mm150mm5mm12.5mm12.5mm25mm瞬态动力学分析的分析过程中均要求先进行模态分析才能进行其他步骤。

水工建筑物重力坝课程设计

水工建筑物重力坝课程设计

1 工程总体布置

工程等别及建筑物级别

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》，确定工程规模、工程等别、防洪标准及设计标准。灌溉农田在50万亩以上，属于Ⅱ等中型工程。发电在20万千瓦。根据规范，按各指标中最高等级确定工程等别：综合取水库工程等级为Ⅱ等中型工程。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》中“水库大坝提级指标”表中的规定，混凝土和浆砌石重力坝大坝高度超过了100m，按提高一级的规定，大坝的建筑物级别提高为1 级。其余永久性水工建筑物中的主要建筑物为2级，次要建筑物和临时建筑物为2 级，而洪水标准不提高。

2 非溢流坝坝体设计

2.1 剖面拟定

2.1.1 剖面设计原则

1、设计断面要满足稳定和强度要求；

2、力求剖面较小；

3、外形轮廓简单；

4、工程量小，运用方便，便于施工。

2.1.2 拟定基本剖面

重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如图3—1，在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c 和扬压力U 的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=0～0.2，常做成铅直或上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；底宽约为坝高的0.7～0.9 倍。

图3-1 重力坝的基本剖面图示

2.1.3 拟定实用剖面

一、确定坝顶高程

1、超高值Δh 的计算

（1）基本公式

坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，可由式（3-1）计算。

Δh = h1% + hz + hc （3-1）

Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；

H1% —累计频率为1%时的波浪高度，m；

重力坝课程设计doc(20200930063610)

重力坝课程设计doc(20200930063610)

F面按官厅公式计算h1% , hz 。

1

0.0076V。2 2 V。

gLm

2 Vo 1

O.331v0帀 1

gD 375

2 V0

hz

确定工程等级

建筑物中的主要建筑物为n级，次要建筑物和临时建筑物为 3级。

一、确定坝顶高程

（1）超高值△ h的计算

△ h = hl% + hz + he

△ h—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差， m;

HI% —累计频率为1%寸的波浪高度，m

hz —波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差， m;

he —安全加高，按表 3 — 1采

表3-1 坝的安全加高he

运用情况 坝的级别

1 2 3

设计情况（基本情况）

校核情况（特殊情况）

内陆峡谷水库，宜按官厅水库公式计算（适用于 V0 v 20m/s及D v 20km）

Lm --- 波长，m 设计内容

由校核洪水位m查水库水位 容积曲线读出库容为亿 m3，属于大（2）型，永久性水工 式中：D 吹程，km按回水长度计。

核洪水位时，采用多年平均风速，本次设计 v0 18m/s。

hz ---- 壅高，m

V0 ――计算风速

h――当 卑 20〕250时，为累积频率5%的波高h5%;当 卑 250〕1000时，

Vo * V0 T

为累积频率10%勺波高h10%

规范规定应采用累计频率为 1%时的波高，对应于5%波高，应由累积频率为P( %的波高hp与

平均波高的关系可按表 进行换

0.3-1累积频率为P I如 的漉鬲与平均逋高的比值

P{%)

0.1 1 9 3 4 & 10 13 20 50

0 £ 97 匕42 2.弟 2.11 丄0£ L 95 1. 71 1.61 1.43 0 94

0. 1 2, 70 2.26 2, 09 2, 00 1, 92 1, 87 L6S 1.36 1.41 0,96

X 去46 2.09 1.96 L8S 1.81 1, 76 1.51 1.订 0.90