面板堆石坝有限元仿真及其应用.docVIP

面板堆石坝有限元仿真及其应用 刘忆，尚波 河海大学水利水电学院 南京（210098） E-mail：xinyi198219@ 摘 要：面板堆石坝经过不断的发展，已经成为非常具有竞争力的坝型。其静力分析及抗震 安全问题也成为其设计和分析中重要的研究课题。本文基于有限元仿真软件 ADINA，围绕 面板堆石坝应力和位移进行研究。 关键词：面板堆石坝；非线性有限元；本构模型；静力分析 1. 引言 混凝土面板堆石坝（Concrete Faced Rockfil Dam ,CFRD）[1]是水工结构中的重要坝型之 一，常简称为面板堆石坝或面板坝。现代面板堆石坝的设计和施工在较大程度上还是依赖于 工程经验，但随着对工程材料筑坝特性以及大坝应力变形模拟技术的深入研究，理论成果在 工程设计和工程运行管理中的指导作用越来越大。本文以面板堆石坝静力分析为研究方向， 利用有限元软件 ADINA 对其进行仿真数值模拟，以期得到有益的理论成果来指导工程设计。 2. 面板堆石坝三维有限元仿真模型 2.1 ADINA 软件概述[2] ADINA 的最早版本出现于 1975 年，在 K. J. Bathe 博士的带领下，由其研究小组共同 开发出 ADINA 有限元分析软件。ADINA 在计算理论和求解问题的广泛性方面处于全球领 先的地位，尤其针对结构非线性、流/固耦合等复杂问题的求解具有强大优势，被业内人士 认为是非线性有限元发展方向的先导。 2.2 坝体及岩体材料在 ADINA 中的模拟 2.2.1 本文用到的单元类型 ADINA 单元库中提供了丰富的单元类型可供建模时使用。在面板堆石坝三维有限元分 析中，主要选取三维固体单元来模拟坝体各部分及地基，又分为 8 节点、6 节点和 4 节点固 体单元如图 1 所示： 图1 3-D 8 节点、6 节点和 4 节点固体单元 2.2.2 本文用到的材料模型 坝体材料如垫层、过渡区、主堆石和次堆石选用 Duncan Et ━ Bt 模型，其输入参数有： CTI（1）＝C ━━凝聚力； CTI（2）＝? ━━摩擦角； CTI（3）＝K ━━加载时弹模基数； CTI（4）＝n ━━加载时弹模指数； CTI（5）＝Rf ━━破坏比； CTI（6）＝Kb ━━体积模量基数； CTI（7）＝m ━━体积模量指数； CTI（8）＝Kur ━━卸载时弹模基数； CTI（9）＝nur ━━卸载时弹模指数。 基岩、面板及趾板材料采用线弹性材料模型，在小位移分析中，应力应变关系为： t C t e 0 σ = 0 (4-1) 式中 t σ ━━工程应力； t e ━━工程应变； C━━本构矩阵，由杨氏模量 E 和泊松比ν 确定。 2.3 接触面在 ADINA 中的模拟 接触条件用来模拟二维或三维实体单元与结构单元（桁元、梁、或轴对称壳体元、板、 壳和管单元）的连接行为。三维接触面由 4 节点四边形面段构成。三角形面段可用来协调三 节点和四节点段。ADINA 中接触分析的步骤为：1)定义接触组 2)定义接触面；3)如有刚性 接触面，就要将其划分网格；4)定义接触对：要生成接触模型，需定义哪一对面是接触面， 以及跟这两个面相关的摩擦系数。 ADINA 提供了三种接触求解算法： 一、约束函数方法：使用约束函数在接触面节点上强行施加接触条件。这种方法只考虑 了接触面节点接触的状态，对无摩擦接触的收敛速度比较好。这是程序默认算法，适用于大 多数情况。 该法中，法向约束函数为： g + λ ? g ? λ ? 2 w(g, λ ) = 式中 g ━━接触面间间隙； λ ━━法向接触力； ε N ━━小参数。 ? ? 2 ? 2 ? + ε N ? (4-2) ? ? ? 切向约束函数 v? u,τ ? 由下式定义： ? ? ? ? τ + v ? 2 arctan? = u ? ? = 0  (4-3) π ? ε ? ? T ? 式中ε T ━━小参数，为 Coulomb 摩擦准则增加了弹性性质。 二、段方法：使用 Lagrange 乘子来强行施加接触条件。运动条件也强行施加在接触面 节点上，摩擦条件强行施加在接触段上。在这种方法中，接触面上段的行为将决定接触面节 点的状态。这个算法以使用附加内部迭代循环（默认使用）来加强算法，但却会增加求解代 价。关于内部迭代循环的信息不输出，所以无法控制内部迭代循环。 三、刚性目标法：这种方法是接触一方为刚体时的接触算法的巨大简化。这个选项将用 于金属成型。每个接触组必须属于三种算法中的一种。但是，不同的接触组可以使用不同的 算法。 2.4 分期加载的模拟 坝体分期加载（如图 2 所示）即用单元生选项来模拟，