工程硕士论文正文4318.docx

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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.基于ANSYS的拱坝有限元仿真分析及其在病险水库除险加固中的应用重庆大学工工程硕士士学位论论文学生姓名：李军指导教师：姚刚 兼职导师：高强工程领域：水工结结构重庆大学学建筑与与土木工工程学院院二O一三年年四月Finitte eelemmentt siimullatiion anaalyssis of arcch ddam bassed on ANSSYS and itss apppliicattionn inn thhe rreinnforrcemmentt

2、 off daangeerouus rreseervooir A Theesiss Suubmiitteed tto Choongqqingg Uniiverrsittyin Paartiial Fulffilllmennt oof tthe Requuireemennt forr the DDegrree of Massterr of EnggineeeriingByLi JuunSuperrvissed by Yaao GGanggPluraalissticc Suuperrvissed by Gaao QQianngSpeciialtty：hyddro-strructtureeColle

3、ege of Archhiteectuure andd Civiil EEngiineeerinngof Chhonggqinng Uniiverrsitty ， Chhonggqingg， ChiinaAprill 20133重庆大学硕士学位论文中文摘要摘 要复杂的地形形地貌和和地质条条件下拱拱坝有限限元模型型建立和和非线性性仿真分分析是目目前拱坝坝设计和和分析中中的重要要研究课课题。本本文对拱拱坝的分分析方法法做了总总结对比比，研究了了有限元元分析中中的可视视化、参参数化方方法及它它们实施施技术，开发了了基于AANSYYS平台台的拱坝坝有限元元仿真分分析系统统，并结合合实际工工程对重重庆市

4、酉酉阳县境境内胜利利水库双双曲拱坝坝进行了了三维非非线性有有限元整整体稳定定仿真分分析。首先，研究究了有限限元中的的可视化化理论、参参数化技技术和AANSYYS软件件的二次次开发技技术，介绍了了拱坝有有限元可可视化建建模的参参数化原原理和实实施技术术，以ANNSYSS为平台台，利用AANSYYS提供供的UIIDL、AAPDLL等二次次开发技技术，开发了了具有水水工特色色的拱坝坝仿真分分析系统统，利用它它可较方方便地对对复杂地地基上的的拱坝进进行有限限元建模模和仿真真分析。然后，研究究了有限限元仿真真分析的的基本原原理及其其在ANNSYSS软件中中的具体体实现。阐阐述了三三类非线线性问题题，讨论

5、了了弹塑性性分析的的基本方方程和常常用的强强度准则则，并较详详细介绍绍了ANNSYSS中有限限元仿真真分析的的基本过过程。最后，对胜胜利水库库双曲拱拱坝进行行了有限限元建模模和三维维非线性性有限元元仿真分分析，计算分分析了各各种情况况下坝体体和基岩岩的应力力位移规规律，对大坝坝的整体体安全度度进行了了综合评评判。关键词：拱拱坝，有限元元，仿真分分析，ANSSYS，除险加加固IV重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRRACTTThe mmodeelinng andd nonnlinnearr FEMM simmulaatioon anaalyssis forr arcch damm dessig

6、nns is an importtantt topic，esspeciallly forr thoose arch damms to be buiilt in locatiionss of ccomplexx topogrraphic andd geoologgical ccondditiionss. In thiis Papper，briief summmaryy andd conntraast forr thee anaalyttical metthodds of arch damm werre ccondductted， thee vissuallizaatioon andd parra

7、meeterrizaatioon of FEMM，andd itss impllemeentaatioon wweree invvesttigaatedd，andd thee sysstemm bassed on ANSSYS，forr thee simmulaatioon FEMM anaalyssis of arch damm wass devvelooped. Andd 3-D nonnlinnearr FEMM simmulaatioon anaalyssis wass theen ccarriied outt forr SheengLLi resservvoirr arch damm

8、，whiich is locateed in Youuyangg Couuntyy，Choongqqingg Proovinnce of Chiina.The vvisuualiizattionn theeoryy andd parrameeterrizaatioon techniqque forr FEMM， andd seconddaryy deevellopiing techniquee forr ANSSYS werre stuudieed. Thee parrameeterrizaatioon prinnciple forr FEMM moddeliing of aarchh daa

9、m andd thee impplemmenttatiion techhniqque werre inttrodduced. By fullly usiing of thee seconddaryy devveloopinng techniiquees pprovvideed in ANSSYS，such as UIDDL，APDDL etcc， a FEMM simmulaatioon anaalyssis sysstemm of arcch damm bassed on ANSSYS wass devvelooped， by meaans of whiich arcch damms on

10、ccomplexx fouundaatioon ccan be moddeleed andd anaalyzzed connvennienntlyy.Basicc thheorry of nonlinnearr FEMM anaalyssis andd itss reaalizzatiion in ANSSYS werre stuudieed， thrree kinnds of nonlinnearr strructurall behhaviiorss，thee bassic equuatiionss of eelassticc annd plassticc probblemm andd st

11、rrenggth criiterrionn commonnly useed werre disscusssed. Andd thee bassic processs of FEMM simmulaatioon anaalyssis in ANSSYS wass introdduced in dettaill.Finallly，SheengLLi rreseervooir douublee-curvvatuure arcch damm wass moddeleed andd 3-D FEMM simmulaatioon anaalyssis wass perfformeed，so as to f

12、innd outt thee inttegrral saffetyy factorr andd thee strresss andd dissplaacemmentt pattternns of damm andd itss fouundaatioon undder diffferrentt looad commbinnatiion.Keywoordss： aarchh daam，finiite eleemennt， simmulaatioon anaalyssis， ANSSYS ，reiinfoorceemennt oof ddanggeroous.重庆大学硕士学位论文目 录目 录摘 要I

13、ABSTRRACTTII目 录IIII1 绪论论11.1 拱拱坝的发发展概况况11.2 拱拱坝的结结构特点点21.3 拱拱坝的应应力分析析方法31.4 本本文的主主要内容容52 基于于ANSSYS的的拱坝有有限元几几何实体体仿真建建模62.1 有有限元方方法简介介62.2 有有限元软软件ANNSYSS简介102.3 基基于ANNSYSS的APDDL技术术特点122.4 应应用APPDL实实现拱坝坝几何实实体的仿仿真建模模133 拱坝坝仿真分分析在AANSYYS中的的实现273.1 拱拱坝基于于ANSSYS的的有限元元分析流流程273.2 拱拱坝实体体模型的的有限元元网格划划分293.3 拱拱坝

14、有限限元模型型的加载载及求解解383.4 拱拱坝基于于ANSSYS后后处理的的成果分分析384 工程程应用394.1 工工程概况况和研究究内容394.2 胜胜利水库库拱坝仿仿真建模模394.3 胜胜利水库库拱坝仿仿真分析析及结论论394.4 胜胜利水库库拱坝除除险加固固后运行行效果395 结论论及展望望405.1 结结论405.2 展展望40参 考 文文 献42附 录43A. 作者者在攻读读学位期期间发表表的论文文目录：43B. 作者者在攻读读学位期期间取得得的科研研成果目目录：43VI重庆大学硕士学位论文 5 结论及展望 1 绪论论 1.1 拱拱坝的发发展概况况 在水利水电电工程中中，挡水水

15、建筑物物的种类类和型式式是多种种多样的的，拱坝坝的水平平截面为为弧形拱拱圈，拱拱圈两端端支承在在两岸岩岩体上，因因此，拱拱坝相对对于其他他坝型更更加安全全。加之之拱坝的的薄壳结结构，极极大地节节省了所所用混凝凝土方量量，更加加经济。所所以，拱拱坝在国国内外有有很大的的发展。 追溯溯拱坝的的发展历历程，据据资料查查证，拱拱坝型式式最初是是由罗马马人在意意大利邻邻近的TTressinaa河上于于16111年修修建了第第一座坝坝高为55 m的的砌石拱拱坝。在罗马时代代法国也也修建了了一座坝坝高为112 mm的鲍姆姆拱坝，是是一个圆圆筒形拱拱坝，由由两层同同心圬工墙墙中间填填塞粘土土构成，随随后修建建

16、的是在在公元5550年年前后土土耳其的的德拉拱拱坝，上上述两座座拱坝的的修建，均均可说明明在那时时人们已已懂得面面对水流流，拱型型结构具具有更理理想的抵抵抗力。第一个采用用应力分分析方法法并假定定坝体是是由独立立拱圈组组成的，是是18554年建建成的，坝坝高433 m的的法国左左拉拱坝坝。在当当时人们们已经发发现，为为使拱坝坝的体积积减小到到最小，拱拱坝的曲曲率半径径就要从从坝顶到到坝底逐逐渐减小小。当时时的拱坝坝虽不高高，但长长高比已已达到了了5.6。220世纪纪初，美美国修建建拱坝越越来越高高，如ll9099年建成成的帕斯斯芬德拱拱坝高665m，119100年建成成的巴菲菲罗比尔尔坝高 9

17、9 m，119133年开始始修建的的斯波丁丁坝高884 mm，这三三座拱坝坝的应力力分析，都都考虑了了中间悬悬臂粱的的作用计计算拱圈圈和粱的的变位一一致，仅仅仅把拱拱粱与基基础当作作刚性接接合。ll9144年建成成坝高551 mm的美国国萨门溪溪拱坝是是第一座座采用变变半径设设计的，使使得坝体体断面呈呈曲线形形状，为为了解决决混凝土土收缩问问题。 总总之，此此时国外外在拱坝坝修建和和设计理理论上都都已有所所发展，数数量虽不不算多，坝坝高在115 mm以上的的有400余座。到到40年年代拱坝坝在水利利水电工工程中才才开始有有较大发发展，坝坝型以重重力拱坝坝为主，设设计也开开始采用用试荷载载法。这

18、这种坝型型和设计计方法是是瑞士最最先提出出的，并并于19920年年建成蒙蒙特萨文文斯拱坝坝。该坝坝不但坝坝体弯曲曲，而且且从拱冠冠到拱端端逐渐加加厚，不不仅考虑虑了拱冠冠粱，而而且同时时应用了了几个悬悬臂梁的的概念。11925519935年年的100年间，美美国在这这一基础础上又提提出考虑虑切向变变位与水水平扭转转变的新新概念，这这就是试试荷载法法。在这这个时期期，开始始对拱坝坝进行结结构模型型试验，以以便验证证计算和和观测成成果。第一座超过过2000m坝高高的拱坝坝是美国国于19936年年建成的的鲍尔德德拱坝，而而第一座座双曲拱拱坝则是是19339年建建成的意意大利奥奥西格利利塔拱坝坝坝高7

19、7688 m，而而且是一一座双曲曲薄拱坝坝。大量量兴建拱拱坝是在在20世世纪400年代以以后，尤尤其西欧欧一些国国家对拱拱坝极感感兴趣，特特别是双双曲拱坝坝。即使使在地形形、地质质不利的的条件下下也修建建拱坝。如如意大利利在19952至至l9660年期期间，建建成和正正在施工工的拱坝坝有900多座。就目前拱坝坝的发展展从数量量上说，自自19000年至至19660年的的60年年间，坝坝高在550 mm以上的的拱坝，共共建成2260座座左右。目目前，在在亚洲，非非洲，拉拉丁美洲洲一些发发展中国国家，也也修建或或正在修修建不少少薄拱坝坝，较高高的约有有20座座。据不不完全统统计，国国外修建建(包括括

20、建成和和施工的的)坝高高在1000 mm以上的的大坝共共有3991座，其其中拱坝坝为1225座，占占33。我国的拱坝坝建设，也也有悠久久的历史史，据记记载19927年年我国就就修建过过一座砌砌石拱坝坝。拱坝坝真正在在我国发发展是在在19449年以以后，截截止到119888年底的的不完全全统计，已已建坝高高15 m以上上的各种种坝总数数已达8800座座以上，约约占全世世界以建建拱坝总总数的11/4强强，截止到到20111年底底的不完完全统计计，已建建坝高550 mm以上的的各种拱拱坝总数数已达440座以以上。我我国的锦锦屏一级级双曲拱拱坝，高高3055 m，是是目前世世界上最最高的拱拱坝。1.2

21、 拱拱坝的结结构特点点拱坝是在平平面上呈呈凸向上上游的拱拱形挡水水建筑物物，借助助拱的作作用将水水压力的的全部或或部分传传给河谷谷两岸的的基岩。和重力坝相比，在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持，主要是利用拱端基岩的反作用力来支承。拱圈截面上主要承受轴向力，应力分布较均匀，可充分利用筑坝材料的强度。因此，是一种经济性和安全性都很好的坝型。拱坝是一个个变厚度度、变曲曲率而边边界条件件又很复复杂的空空间壳体体结构。按按其坝体体曲率可可分为单单曲拱坝坝和双曲曲拱坝。单单曲拱坝坝为只在在水平断断面内呈呈弧形，铅铅直断面面不弯曲曲的拱坝坝。双曲曲拱坝在在水平和和铅直断断面内都都有曲率率。按

22、其其水平拱拱的型式式分类主主要有圆圆拱、二二心拱、三三心拱、抛抛物线拱拱、椭圆圆拱、对对数螺旋旋拱及混混合曲线线拱等。拱坝的工作作特点可可以看成成是由若若干水平平拱圈和和竖直悬悬臂梁组组成的空空间网格格结构，外外部水压压力由拱拱、梁共共同承担担，大部部分荷载载通过拱拱圈传向向两岸坝坝肩，小小部分通通过悬臂臂梁传到到基础拱坝主要拱拱与梁的的共同作作用而稳稳定下来来，稳定定性主要要依靠两两岸拱端端的反力力作用，因因而对拱拱端地基基的要求求很高；有利于于发挥砼砼的抗压压强度，拱梁所所承受的的荷载可可相互调调整, 因此可可以承受受超载；而拱坝嵌嵌固在基基岩上，属属于无数数次超静静定结构构。因此此具有较

23、较大的超超载能力力。拱坝坝坝身可可以泄水水。由于于建筑物物本身与与山体的的稳定性性连接稳稳定，因因此具有有较好的的抗震性性能。由由于坝体体的几何何形状复复杂，施施工时难度较大。拱坝对地形形、地质质条件都都具有较较高的要要求。拱坝对地形形的要求求主要为为：（1）要求求河谷狭狭窄，河河谷的断断面剖视视图由两两个参数数衡量即即宽高比比和厚高高比。宽宽高比是是坝顶处处河谷宽宽度B与与坝高hh的比值值，厚高高比是坝坝底厚度度与坝高高h的比比值。河谷的的宽高比比越小，意意味着河河谷越狭狭窄；拱拱坝的厚厚高比越越小，意意味着拱拱坝可以以建得越越薄。（2）河谷谷左右两两岸大致致对称，这这种对称称的河谷谷能够增

24、增强拱坝坝的稳定定性；（3）河谷谷平面形形状向下下游收缩缩，这种种河谷能能够增加加拱坝坝坝基的承承受力，使使坝体固固定下来来，不致致发生滑滑动平移移。拱坝对地质质的要求求主要为为：要求基基岩特别别是坝肩肩岩体完完整坚硬硬，没有有大的断断裂构造造和软弱弱夹层，同同时要求求基岩耐耐风化、渗渗透性小小。1.3 拱拱坝的应应力分析析方法拱坝是世界界上最安安全的坝坝型，并并不代表表拱坝就就一定不不会失事事，如119599年法国国Mallpasssett双曲拱拱坝溃坝坝，造成成了巨大大的人员员伤亡和和经济损损失。由由此可见见，拱坝坝也不是是绝对安安全的，只只有保证证拱坝坝坝体应力力在容许许控制范范围内，坝

25、坝基岩基基有足够够承载力力，拱坝坝的安全全才可以以得到保保证，拱拱坝才有有可能正正常运行行。拱坝坝在运行行中会受受到水压压力、淤淤沙压力力、温度度场、渗渗流场、重重力场等等的相互互作用，不不同的地地形地质质条件，在在各种不不同的运运行工况况，如水水位的变变化，温温度的变变化等都都会引起起拱坝坝坝体内的的应力重重分布。因因此，如如何合理理分析出出复杂环环境条件件下各种种工况的的拱坝坝坝体应力力就显得得极其重重要。 拱拱坝是一一个变厚厚度、变变曲率而而边界条条件又很很复杂的的空间壳壳体结构构，拱圈圈的轴力力很大，对对拱圈本本身的变变形和基基岩变形形影响显显著；坝坝基岩体体实际上上很复杂杂，对拱拱坝

26、和坝坝基进行行严格的的理论应应力分析析是很困困难的，在在不同时时期的实实际设计计计算中中，通常常根据当当时的理理论水平平和计算算条件做做一些必必要的假假定和简简化，因因而就有有不同的的应力分分析方法法。 纯拱拱法 纯拱法法假定坝坝体由若若干层独独立的水水平拱圈圈叠合而而成，、每每层拱圈圈单独进进行计算算。由于于纯拱法法没有反反映拱圈圈之间的的相互作作用，假假定荷载载全部由由水平拱拱承担，不不符合拱拱坝实际际受力情情况，因因而求出出的应力力一般偏偏大，尤尤其对宽宽河谷的的重力拱拱坝，误误差更大大。但由由于它是是拱坝所所有计算算方法中中最基本本最简单单的方法法，常常常用来近近似的计计算狭窄窄河谷中

27、中建造的的不太重重要的中中小拱坝坝的内力力和应力力。其计计算公式式为：(脚标LL代表左左半拱圈圈，脚标标R代表表右半拱拱圈) 再利用两端端变形连连续条件件，先求求出、，计算算出M、HH、V，有有方程组组： (转角变变位连续续条件) (径向变变位连续续条件) (切向变变位连续续条件) 式中、只和拱拱圈尺寸寸、拱圈圈和基岩岩的变形形模量及及基岩变变形有关关，称为为形常数数。、还与水水压、温温度等荷荷载有关关，称为为载常数数。拱梁分载载法拱梁分载法法是将拱拱坝视为为有若干干水平拱拱圈和竖竖直悬臂臂梁组成成的空间间结构，坝坝体承受受的荷载载一部分分由拱系系承担，拱拱和梁的的荷载分分配由拱拱系和梁梁系在

28、各各交点处处变位一一致的条条件来确确定。荷荷载分配配以后，梁梁是静定定结构，应应力不难难计算；拱的应应力可按按纯拱法法计算。拱拱梁分载载把复杂杂的弹性性壳体问问题简化化为结构构力学的的杆件计计算。拱梁分载法法作为一一种传统统的分析析方法，经经过长时时间的实实践工程程的考验验，形成成了一套套通过不不断实践践不断修修订的强强度设计计准则，被被世界上上许多国国家确定定为拱坝坝设计的的规范方方法。但但拱梁分分载法基基础变形形多数均均采用伏伏格特所所提出的的计算方方法，比比较粗略略，对于于坝体内内设置大大孔口，在在计算中中难以合合理反映映孔口对对坝体应应力的影影响。此此外，在在编制程程序时，过过去国内内

29、有些程程序对于于一些边边界条件件及假定定的近似似处理方方法不同同，这使使应力计计算结果果有所出出入。同同时过去去国内所所编制的的拱梁分分载法程程序，一一些假定定比较粗粗糙，对对于低拱拱的分析析，尚能能满足精精度要求求，但随随着拱坝坝高度的的增加，过过去的程程序就不不能满足足设计要要求，因因此，有有必要进进行改进进和完善善，以提提高其精精度，形形成能与与规范配配套使用用的较为为标准的的程序。壳体理论论计算方方法早在20世世纪300年代，FF托尔尔克就提提出了用用壳体理理论计算算拱坝应应力的近近似方法法。近年年来由于于电子计计算机的的发展，壳壳体理论论计算方方法也取取得了新新的进展展，网格格法就是

30、是应用有有限差分分解算壳壳体方程程的一种种计算方方法，适适用于薄薄拱坝。我我国泉水水双曲薄薄拱坝采采用网格格法进行行计算，收收到了良良好的效效果。但但由于拱拱坝体形形和边界界条件十十分复杂杂，使这这种计算算方法在在工程中中应用受受到了很很大的限限制。结构模型型实验法法结构模型试试验也是是研究拱拱坝应力力问题的的有效方方法，它它不仅能能研究坝坝体、坝坝基在正正常运行行情况下下的应力力和变形形，而且且还可以以进行破破坏试验验。在有有的国家家如葡萄萄牙、意意大利，甚甚至以模模型试验验成果作作为拱坝坝设计的的主要依依据，并并认为试试验是最最可靠的的手段。对对于高拱拱坝设计计，采用用多种分分析方法法与模

31、型型试验，已已达到相相互补充充、相互互验证，是是重要工工程不可可缺少的的理论依依据。结结构模型型试验虽虽然对破破坏过程程有直观观的认识识，但周周期长、成成本高、研研究方案案单一，难难以模拟拟温度、渗渗流等荷荷载。有限元法法所谓有限元元法，即即是将一一个连续续的物体体人为的的分为若若干单元元，相邻邻单元在在节点处处相互连连接，研研究每个个单元的的应力应应变特性性，计算算每个单单元的刚刚度矩阵阵，然后后组合成成整体刚刚度矩阵阵。对于于所有外外荷载以以静力等等效的方方式转移移到各节节点上，并并组成节节点荷载载列阵。最最后通过过节点上上的平衡衡条件，计计算出节节点变位位，进而而求出单单元的应应变和应应

32、力。对于拱坝的的有限元元分析，可可以将拱拱坝地基系系统离散散为若干干个有一一定尺寸寸的单元元，每个个单元有有若干个个节点，相相邻单元元在节点点处相互互连接并并认为两两者具有有相同的的节点位位移值，其其计算步步骤为：结构离散散化处理理。选择位移移函数。单元刚度度矩阵的的形成。平平面问题题的刚度度矩阵表表述如下下：式中，为单单元本构构关系矩矩阵，为为单元应应变矩阵阵。单元等效效节点荷荷载列阵阵。总体刚度度矩阵的的形成，由由第三步步形成的的单元刚刚度矩阵阵，根据据单元的的连接情情况来集集成总体体刚度矩矩阵。然然后由有有限元基基本方程程即可求求得位移移向量。计算应力力，由第第五步求求得的位位移向量量，

33、再由由公式即即可求得得节点和和单元应应力。随着计算机机的发展展，为拱拱坝应力力分析提提供了一一条新的的更为精精确的途途径，并并越来越越广泛地地用于拱拱坝设计计中。国国内针对对拱坝稳稳定分析析自主开开发的三三维非线线性有限限元分析析程序主主要有清清华大学学的TFFINEE和河海海大学的的SIDD3D等等程序。清清华大学学开展的的TFIINE已已有200多年历历史，主主要特点点之一是是提出了了基于DDP准则则的弹塑塑性鲁棒棒算法，可可确保复复杂结构构岩体计计算的收收敛性。在在此程序序上实现现了变形形加固理理论、三三维多重重网格法法、断裂裂损伤及及局部化化分析、网网格自适适应算法法、基于于三维有有限

34、元的的结构极极限承载载力分析析、并行行求解技技术、适适应拱坝坝设计的的后处理理系统。河河海大学学力学系系开发了了SIDD3D程程序，以以收敛性性和突变变性作为为稳定判判据，它它包括两两个部分分，第一一部分为为非线性性有限元元分析AADAPP3D20003(有有限单元元法连续续变形分分析)和和BKEEM200031（块块体单元元法非连连续变形形分析），第第二部分分为塑性性极限分分析PLLIM-IT。有有限元分分析部分分备有接接口，可可以接入入通用的的商业程程序，如如MARRC、AANSYYS、AABAQQUS等等。该程程序功能能较强，有有多种材材料非线线性本构构模型，可可以考虑虑材料的的不均匀匀

35、性和各各项异性性，能够够模拟施施工加载载过程，包包括地应应力、渗渗流和开开挖时地地应力的的释放过过程。国国际商业业通用非非线性有有限元程程序ANNSYSS、ABBAQUUS和FFLACC3D（三三维快速速拉格朗朗日分析析）等也也被用于于拱坝整整体稳定定分析。1.4 本本文的主主要内容容因其受力特特征、几几何形状状、边界界条件等等均较复复杂，所所以，拱拱坝在各各种工况况作用下下的安全全度，无无疑是工工程设计计人员所所关心的的主要课课题。目目前，拱拱坝应力力分析主主要有多多拱梁法法和有限限元法，但但同一拱拱坝用不不同多拱拱梁法程程序计算算的结果果不一致致，尤其其是拉应应力相差差较多。有有限元法法具

36、有较较强的计计算功能能，不但但可以比比较合理理的考虑虑拱坝的的整体作作用，还还能进行行各种复复杂条件件下的应应力分析析。早期的有限限元法计计算软件件严格的的说不能能称之为为软件，实实际上只只是用某某种语言言如FOORTRRAN编编写的有有限元剖剖分和计计算程序序，从其其组成上上来说，主主要由数数据文件件准备、单单元剖分分、求解解、输出出结果组组成，没没有所谓谓前后处处理功能能；从其其功能上上来说，解解决问题题的范围围狭窄、规规模也小小，节点点一般只只能限制制在1000000个以下下。这些些特点使使得其对对用户的的要求很很高，不不但要熟熟悉有限限元方法法及其应应用，还还要对其其数据格格式等有有深

37、入的的了解。数数据文件件准备工工作相当当庞大，对对平面问问题尚还还简单，若若对三维维问题数数据文件件不能不不说是令令人头疼疼的事。输输入数据据得不到到及时的的检查，从从而导致致数据有有误，可可能造成成工作中中断甚至至无法进进行下去去。本次课题以以ANSSYS软软件为平平台，抛抛开单兵兵作战从从头做起起开发程程序的做做法，通通过基于于通用的的三维设设计软件件ANSSYS，利利用APPDL参参数化有有限元分分析技术术建立整整体三维维模型，模模拟拱坝坝在实际际运行状状态下的的力学行行为，并并对坝体体的应力力状态进进行计算算，在计计算中考考虑水压压力、淤淤沙压力力、温度度场、渗渗流场、重重力场作作用，

38、并并应用于于酉阳胜胜利水库库除险加加固中双双曲拱坝坝的应力力分析。重庆市酉阳阳县胜利利水库属属长江水水系龙潭潭河，位位于重庆庆市酉阳阳县桃鱼鱼镇里泉泉村，该该水库是是一座以以灌溉为为主，兼兼有发电电、供水水、防洪洪等综合合利用功功能的中中型水库库，积水水面积11555km2，水库库总库容容11440万mm3。酉阳阳胜利水水库大坝坝建于119744年，为为圆弧拱拱坝，最最大坝高高5517mm，坝顶顶宽25m，坝坝顶弦长长1411m，弧弧长1669m，坝坝底厚223m。经经多年运运行后水水库不能能正常蓄蓄水，一一直限蓄蓄，被水水利部大大坝安全全鉴定中中心鉴定定为三类类坝。本次课题运运用ANNSYS

39、S软件，对对酉阳水水库大坝坝进行有有限元模模拟分析析，建立立大坝模模型，附附加荷载载，得到到变形分分析成果果、应力力分析成成果，并并依据现现行水利利规范，复复核现有有大坝结结构能否否在各种种运行工工况下满满足安全全蓄水要要求，为为水库枢枢纽大坝坝的除险险加固方方案提供供技术支支撑。同时利用AANSYYS软件件包提供供的二次次开发技技术进行行拱坝问问题求解解，开发发具有水水工特色色的比较较通用的的参数化化拱坝仿仿真分析析系统，减减少了开开发成本本，避开开了繁琐琐的代码码编写和和算法设设计，为为今后AANSYYS在拱拱坝仿真真分析中中的广泛泛应用奠奠定了基基础，进进行了有有益的探探索。2 基于于A

40、NSSYS的的拱坝有有限元几几何实体体仿真建建模2.1 有有限元方方法简介介有限元分析析（FEEA，FFiniite Eleemennt AAnallysiis）利利用数学学近似的的方法对对真实物物理系统统（几何何和载荷荷工况）进进行模拟拟。还利利用简单单而又相相互作用用的元素素，即单单元，就就可以用用有限数数量的未未知量去去逼近无无限未知知量的真真实系统统。有限元分析析是用较较简单的的问题代代替复杂杂问题后后再求解解。它将将求解域域看成是是由许多多称为有有限元的的小的互互连子域域组成，对对每一单单元假定定一个合合适的(较简单单的）近近似解，然然后推导导求解这这个域总总的满足足条件(如结构构的

41、平衡衡条件），从从而得到到问题的的解。这这个解不不是准确确解，而而是近似似解，因因为实际际问题被被较简单单的问题题所代替替。由于于大多数数实际问问题难以以得到准准确解，而而有限元元不仅计计算精度度高，而而且能适适应各种种复杂形形状，因因而成为为行之有有效的工工程分析析手段。有限元是那那些集合合在一起起能够表表示实际际连续域域的离散散单元。有有限元的的概念早早在几个个世纪前前就已产产生并得得到了应应用，例例如用多多边形（有有限个直直线单元元）逼近近圆来求求得圆的的周长，但但作为一一种方法法而被提提出，则则是最近近的事。有有限元法法最初被被称为矩矩阵近似似方法，应应用于航航空器的的结构强强度计算算

42、，并由由于其方方便性、实实用性和和有效性性而引起起从事力力学研究究的科学学家的浓浓厚兴趣趣。经过过短短数数十年的的努力，随随着计算算机技术术的快速速发展和和普及，有有限元方方法迅速速从结构构工程强强度分析析计算扩扩展到几几乎所有有的科学学技术领领域，成成为一种种丰富多多彩、应应用广泛泛并且实实用高效效的数值值分析方方法。有限元方法法与其他他求解边边值问题题近似方方法的根根本区别别在于它它的近似似性仅限限于相对对小的子子域中。220世纪纪60年年代初首首次提出出结构力力学计算算有限元元概念的的克拉夫夫（Cllouggh）教教授形象象地将其其描绘为为：“有有限元法法=Raayleeighh Rii

43、tz法法+分片片函数”，即即有限元元法是RRaylleiggh RRitzz法的一一种局部部化情况况。不同同于求解解（往往往是困难难的）满满足整个个定义域域边界条条件的允允许函数数的Raayleeighh Riitz法法，有限限元法将将函数定定义在简简单几何何形状（如如二维问问题中的的三角形形或任意意四边形形）的单单元域上上（分片片函数），且且不考虑虑整个定定义域的的复杂边边界条件件，这是是有限元元法优于于其他近近似方法法的原因因之一。对于不同物物理性质质和数学学模型的的问题，有有限元求求解法的的基本步步骤是相相同的，只只是具体体公式推推导和运运算求解解不同。有有限元求求解问题题的基本本步骤通

44、通常为：第一步：问问题及求求解域定定义：根根据实际际问题近近似确定定求解域域的物理理性质和和几何区区域。第二步：求求解域离离散化：将求解解域近似似为具有有不同有有限大小小和形状状且彼此此相连的的有限个个单元组组成的离离散域，习习惯上称称为有限限元网络络划分。显显然单元元越小（网网格越细细）则离离散域的的近似程程度越好好，计算算结果也也越精确确，但计计算量及及误差都都将增大大，因此此求解域域的离散散化是有有限元法法的核心心技术之之一。第三步：确确定状态态变量及及控制方方法：一一个具体体的物理理问题通通常可以以用一组组包含问问题状态态变量边边界条件件的微分分方程式式表示，为为适合有有限元求求解，通

45、通常将微微分方程程化为等等价的泛泛函形式式。第四步：单单元推导导：对单单元构造造一个适适合的近近似解，即即推导有有限单元元的列式式，其中中包括选选择合理理的单元元坐标系系，建立立单元试试函数，以以某种方方法给出出单元各各状态变变量的离离散关系系，从而而形成单单元矩阵阵（结构构力学中中称刚度度阵或柔柔度阵）。为保证问题题求解的的收敛性性，单元元推导有有许多原原则要遵遵循。 对工程程应用而而言，重重要的是是应注意意每一种种单元的的解题性性能与约约束。例例如，单单元形状状应以规规则为好好，畸形形时不仅仅精度低低，而且且有缺秩秩的危险险，将导导致无法法求解。第五步：总总装求解解：将单单元总装装形成离离

46、散域的的总矩阵阵方程（联联合方程程组），反反映对近近似求解解域的离离散域的的要求，即即单元函函数的连连续性要要满足一一定的连连续条件件。总装装是在相相邻单元元结点进进行，状状态变量量及其导导数（可可能的话话）连续续性建立立在结点点处。第六步：联联立方程程组求解解和结果果解释：有限元元法最终终导致联联立方程程组。联联立方程程组的求求解可用用直接法法、迭代代法和随随机法。求求解结果果是单元元结点处处状态变变量的近近似值。对对于计算算结果的的质量，将将通过与与设计准准则提供供的允许许值比较较来评价价并确定定是否需需要重复复计算。简言之，有有限元分分析可分分成三个个阶段，前前置处理理、计算算求解和和后

47、置处处理。前前置处理理是建立立有限元元模型，完完成单元元网格划分分；后置置处理则则是采集集处理分分析结果果，使用用户能简简便提取取信息，了了解计算算结果。近一、二十十年来,随着计计算机软软硬件技技术的日日新月异异和图形形图像处处理技术术的发展展,有限限元分析析技术得得到了飞飞速的发发展,大大量优秀秀的有限限元商业业软件如如ANSSYS、AABAQQUS、MMSC.Marrc、MMSC.Nasstraan、SSUPEERS等等得到了了广泛应应用。这这些软件件具有强强大的前前后处理理功能,使得用用户更加加容易学学习和掌掌握有限限元分析析技术。纵观当今国国际上CCAE软软件的发发展情况况，可以以看出有有限元分分析方法法的一些些发展趋趋势：