高坝结构分析的有限单元法(第一章 概论)-常晓林【荐】.ppt

水工结构计算力学 常晓林 何蕴龙 方朝阳 周 伟 武汉大学水利水电学院 主要讲授内容 1 概论（常晓林，3学时） 1.1 水工结构中的数学与力学问题 1.2 水工结构分析中的数值理论与方法 2 有限单元法的基本原理 2.1 变分原理（2.1－2.5节，方朝阳9学时） 2.2 弹性力学问题的有限元法一般原理和表达格式 2.3 单元和形函数 2.4 非线性有限元分析方法 2.5 材料非线性问题的有限单元法 2.6 热传导问题的有限单元法（周伟3学时） 2.7 渗流问题的有限单元法（周伟3学时） 2.8 水工结构动力学问题的有限单元法（何蕴龙3学时） 主要讲授内容 3 有限单元法在水工结构分析中的应用 3.1 高坝结构分析的有限单元法（常晓林9学时） 3.4 水工混凝土结构温度仿真有限元法（周伟6学时） 3.5 水工结构渗流问题的有限元法（周伟3学时） 3.6 水工结构抗震问题的有限元法（何蕴龙9学时） 4 常用几个有限元通用软件的介绍 4.1 ANSYS软件（4.1－4.5周伟6学时） 4.2 MSC系列软件 4.3 ADINA软件 4.4 ABAQUS软件 4.5 SAP软件 1 概论 1.1 水工结构中的数学与力学问题 1.2 水工结构分析中的数值理论与方法 水工结构中的力学问题 应力、变形 强度（拉裂、剪裂、剪滑、压溃……） 稳定（滑移、倾覆、屈曲……） 热力学（温度、温度应力） 流体力学（渗流、高速水流、高压水流、气液两相流、气固液三相流） 动力学（地震、水激震动、机组震动、风振…） 1.1 水工结构中的数学问题 场问题的一般描述——微分方程+边界条件 应力场----弹性力学 张量形式 应力场----弹性力学 展开形式 温度场、流速场 拉普拉斯方程 动力问题 动力方程 1.1 水工结构中的数学与力学问题 1.1.1 水工结构中数学与力学问题的特点 1.1.2 高坝结构分析 1.1.3 高坝体形优化 1.1.4 边坡稳定问题 1.1.5 水工混凝土结构的温度应力与温度控制 1.1.6 水工结构渗流问题 1.1.7 水工结构抗震问题 1.1.8 地下洞室及管道结构分析 1.1.9 水工结构反分析问题 1.1.1 水工结构中数学与力学问题的特点 材料的力学性能复杂性 边界条件的复杂性 水工结构施工过程的复杂性 1.1.1 水工结构中数学与力学问题的特点 材料的力学性能复杂性 坝体材料本身力学性能的复杂性 混凝土坝 碾压混凝土坝 土石坝 面板坝 坝基材料的复杂性 坝基材料的组成成份复杂－岩块、断层、节理、夹层 坝基材料力学性能的复杂性－各向异性、非弹性、耦合性 1.1.1 水工结构中数学与力学问题的特点 边界条件的复杂性 荷载复杂性 水荷载——表面均布水压力、渗流体积力、扬压力、附加质量（动力分析） 温度荷载——外界温度变化、混凝土内部温度变化 自重荷载—— 一般重力、惯性力、初始地应力 约束条件 计算域边界约束——固支、法向约束（静力）；三类边界条件（热分析） 计算域初始条件——时间历程分析（动力、热分析） 1.1.1 水工结构中数学与力学问题的特点 水工结构施工过程的复杂性 浇筑过程 拱坝——分块柱状浇筑、分片灌浆，交错进行 重力坝——通仓、纵缝跳仓浇筑 心墙土石坝——先分层碾压，再填筑心墙 面板堆石坝——先分层碾压、再浇筑面板，或者交 错进行 蓄水过程 分期蓄水 临时过水 1.1.2 高坝结构分析 高坝的应力、变形分析－强度校核 高重力坝的应力、变形分析 高拱坝的应力、变形分析 高土石坝、面板坝的应力、变形分析 高坝的稳定分析－稳定校核 高重力坝的沿建基面、深层抗滑稳定分析 高拱坝的沿建基面、坝肩抗滑稳定分析 高土石坝、面板坝的坝坡稳定分析 . 渐进破坏过程和失稳模式-等比例降强度法 1.1.3 高坝体形优化 重力坝的体形优化 最大断面、整体大坝的设计尺寸优化 材料分区优化 拱坝的体形优化 整体拱坝的设计尺寸优化（平截面曲线为单圆心、抛物线、多圆心、对数螺旋线，高程方向为3次、5次或者其它高次多项式） 材料分区优化 土石坝的体形优化 上下游坝坡、材料分区优化 1.1.3 高坝体形优化 优化的数学模型 目标函数——体积、方量、造价－最小 约束条件——强度、稳定满足设计要求 拱坝体形优化（虚线为优化后） 1.1.4 边坡稳定问题 岩石边坡稳定问题 边坡岩体内天然地质缺陷分布位置的勘查——岩层、断层、节理、软弱夹层 边坡岩体内的初始地应力反演－特别是高地震烈度区域的高边坡 边坡岩体及地质缺陷的强度参数获取——摩擦系数 和内摩擦角 计算方法的选取——极限平衡、有限元强度折减法 土质边坡稳定问题 边坡土体内的渗流分析－地下水