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拱坝破坏分析的自适应算法 Adaptive arithmetic of arch dam cracking analysis

水 利 学 报 2009年2月 SHUIUXUEBAO 第40卷第2期 文章编号:0559.9350(2009)02.0214.06 拱坝破坏分析的自适应算法 杨令强1,张社荣2,陈祖坪3 (1.济南大学土木建筑学院,山东济南250022;2.天津大学建筑工程学院,天津300072; 3.首钢工学院建筑环保系,北京100041) 摘要:本文着重研究拱坝裂纹扩展过程模拟中的有限元分析技术,提出一种高精度和高效率有限元计算的网格动 态重新划分策略。在有限元前处理过程中,利用自适应单元把可能破坏的三维单元分为8个和它完全相似的体子 单元,把面单元分为4个和它完全相似的面子单元,通过形函数有效地解决白适应剖分过程中的悬点问题,并给出 相应的算法和形函数表达式。根据裂缝位置的精度要求,可再次利用自适应单元在细分后的单元基础上再次细 分,直至达到工程要求的精度。在有限元计算过程中,通过动态调整荷载步长,使每一荷载步正好有一个单元破 坏,从而追踪出拱坝在荷载作用下的破坏位置,实现破坏过程追踪的自适应。最后以某拱坝为例,对裂缝位置和裂 缝扩展过程进行了描述。结果表明,本文自适应剖分后的单元规整,计算精度高,稳定性好,可应用于研究拱坝的 坝踵应力以及破坏过程研究。 关键词:拱坝;自适应算法;动态网格;破坏 中图分类号:TV642.4 文献标识码:A 1研究背景 在有限元分析中,网格的划分对整个计算过程有重要的影响,它不仅极大地影响计算精度和计算效 率,而且还会决定一个计算过程能否正常进行下去。比如在弹塑性分析中,荷载是分步施加的,所以有 限元分析需要一个反复的求解过程,假如给定一个初始网格,当计算进行到第n步时,发现网格精度不 够,需要重新划分,通常的作法是将原来网格涂掉再重新划分,而原来计算的前n一1步结果也弃之不 要。本文针对三维裂缝追踪,提出一个网格动态划分策略,网格重新划分是在整个计算的动态过程中完 成的。一个网格从初始状态到计算完成后的最终状态可能相差甚远,但整个计算过程却没有因网格的 重新划分而中断。 对于给定的边界条件和初始条件,有限元计算是一步一步连续进行的,每一步计算都要用到上一步 的计算结果,与这一过程相应的动态重新划分策略的基本思想可以归纳为三个步骤:(1)继承,就是得到 上一次计算结果和网格数据作为本次计算的基础和母体网格。例如,节点和节点位移,积分点与积分点 的应力、应变等,母体网格只起数据传递作用,不参与计算;(2)更新,在当前计算步上对母体网格进行的 网格修改,得到新的网格数据并将上一步的计算结果插值到新的网格上,这个网格是实际用来计算的网 格;(3)选择和替代,基于计算的应力结果,选出下一计算步最可能破坏的单元,对该单元的网格修改,并 将该单元网格信息和计算结果作为下一次的母体。至此完成了一个计算步和网格的一代更新。这个网 格更新过程在有限元分析过程中比较容易实现,事实上,网格的重新划分一般只在局部的小区域内进 行,大部分网格是保持不变的,因此可以利用子结构的方法把破坏区域局限在一个局部,因此所要修改 的网格数据和场量插值是很少的。其次,网格的更新方式可能采取相同的方法。所以网格动态重新划 收稿日期:2007.12.20 基金项目:国家自然科学基金资助项目 作者简介:杨令强(1972一),男,山东东阿人,博士,副教授,主要从事水工结构研究。E-mail:y]q.tju@126.com 一214— 万方数据 分策略非常适合于增量型有限元。另外,由于单元数和总结点数是不断变化的,所以相应的数组采用动 态数组。 2自适应荷载步长 2.1强度准则函数陈祖坪‘11系统地研究了拱坝的应力状态与破坏准则函数,指出拱坝处于三维复杂 的应力状态下,只有三轴强度准则才能判断拱坝单元的破坏状态,本文采用俞茂宏双剪强度准则心1,单 元的应力状态采用中心点应力。 当嗡书孚时 G(·)=61一号(盯:+口,)一工=z(·)一工

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