工程硕士论文正文1751.docx

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1、基于ANNSYSS的拱坝坝有限元元仿真分分析及其在病病险水库库除险加加固中的的应用重庆大学学工程硕硕士学位位论文学生姓名名：李军军指导教师师：姚刚兼职导师师：高强工程领域域：水工结结构重庆大学学建筑与与土木工工程学院院二O一三三年四月Finiite eleemennt ssimuulattionn annalyysiss off arrch damm baasedd onn ANNSYSSand itss apppliicattionn inn thhe rreinnforrcemmentt off daangeerouus rreseervooir A Thhesiis SSubmmittt

2、ed toCChonngqiingUUnivverssityyin PParttiall Fulffilllmennt oof tthe Requuireemenntfoor theDDegrree ofMMastteroofEnnginneerringgByLi JJunSupeerviisedd byy YYao GanngPlurraliistiic SSupeerviisedd byy GGao QiaangSpecciallty：hyddro-strructtureeColllegee offArchhiteectuure andd Civiil EEngiineeerinngof

3、CChonngqiingUUnivverssityy， Chhonggqingg，ChiinaApriil20013重庆大学硕士学位论文中文摘要摘 要复杂的地地形地貌貌和地质质条件下下拱坝有有限元模模型建立立和非线线性仿真真分析是是目前拱拱坝设计计和分析析中的重重要研究究课题。本文对对拱坝的的分析方方法做了了总结对对比，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，研研究了有有限元中中

4、的可视视化理论论、参数数化技术术和ANNSYSS软件的的二次开开发技术术，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、APDDL等二二次开发发技术，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，研研究了有有限元仿仿真分析析的基本本原理及及其在AANSYYS软件件中的具具体实现现。阐述述了三类类非线性性问题，讨论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

5、过过程。最后，对对胜利水水库双曲曲拱坝进进行了有有限元建建模和三三维非线线性有限限元仿真真分析，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：拱坝，有限元元，仿真分分析，ANSSYS，除险加加固III重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTTRACCTThemmodeelinnganndnoonliineaarFEEMsiimullatiionaanallysiisfoorarrchddamddesiignssisannimporttantttopic，esspecialllyffortthossearrchdammstobebuu

6、ilttinloocatiionssof ccomplexxtopogrraphic anddgeoologgical ccondditiionss.InnthiisPaaperr，briiefssummmaryyandd conntraastffortthe anaalytticalmeethoodsoofarrchdammwerre ccondductted， theevissuallizaatioonannd pparaametteriizattionnofFEEM，andditssimpllemeentaatioon wwereeinvvesttigaatedd，anddtheesys

7、stemmbassedoonANNSYSS，forrtheesimmulaatioonFEEMannalyysissofarrchdammwassdevvelooped.Andd3-DnonnlinnearrFEMMsimmulaatioonannalyysisswasstheen ccarriiedouutfoorShhenggLireeserrvoiirarchdamm，whiich is locateedinnYouuyanggCouuntyy，ChoongqqinggProovinnceofChhinaa.Thevvisuualiizattionntheeoryyandd parram

8、eeterrizaatioonteechniqquefforFFEM，anddseconddaryy deevellopiingttechniqueeforrANSSYSwwereestuudieed.TThe parrameeterrizaatioonprinnciplefoorFEEM mmodeelinngoff arrch dammanddtheeimpplemmenttatiionttechhniqquewwereeinttrodduced.Byfuullyyusiingoofthheseeconddaryydevveloopinngteechniiquees pprovvideed

9、innANSSYS，suchasUIIDL，APDDLettc，aFEMMsimmulaatioonannalyysisssysstemmofarrchddambbaseedonnANSSYSwwasddeveelopped，bymeeanssofwhhicharcchdaamsoon ccomplexx fouundaatioon ccanbeemoddeleedanndannalyyzedd connvennienntlyy.Basiic thheorryoffnonlinnearrFEMManaalyssisaandiitsrreallizaatiooninnANSSYSwwereest

10、uudieed， thrreekkinddsoffnonlinnearrstrructurallbehhaviiorss，theebassic equuatiionssof eelassticc anndplassticc probblemmanddstrrenggth criiterrionn commonnlyuuseddwerrediiscusssed.Anddtheebassic processsofFEEMsiimullatiionaanallysiisinnANSSYSwwasiintrodducedinndettaill.Finaallyy，SheengLLi rreseervo

11、oirddoubble-curvvatuure arcchdaamwaasmoodelledaand33-DFEMMsimmulaatioonannalyysisswassperfformeed，so astoofinndouutthheinnteggrallsaffetyyfactorranddtheestrresssandddissplaacemmenttpattternnsoffdammandditssfouundaatioonundderddifffereent loaad ccombbinaatioon.Keywwordds： arcch ddam，finiite eleemennt

12、，simmulaatioonannalyysiss，ANSSYS，reiinfoorceemennt oof ddanggeroous.重庆大学硕士学位论文目 录目 录摘要IABSTTRACCTIII目录IIII1 绪绪论11.1 拱坝的的发展概概况11.2 拱坝的的结构特特点21.3 拱坝的的应力分分析方法法31.4 本文的的主要内内容52 基基于ANNSYSS的拱坝坝有限元元几何实实体仿真真建模662.1 有限元元方法简简介62.2 有限元元软件AANSYYS简介介102.3 基于ANNSYSS的APDDL技术术特点1122.4 应用APPDL实实现拱坝坝几何实实体的仿仿真建模模133 拱

13、拱坝仿真真分析在在ANSSYS中中的实现现273.1 拱坝基基于ANNSYSS的有限限元分析析流程2273.2 拱坝实实体模型型的有限限元网格格划分2293.3 拱坝有有限元模模型的加加载及求求解3883.4 拱坝基基于ANNSYSS后处理理的成果果分析3384 工工程应用用394.1 工程概概况和研研究内容容394.2 胜利水水库拱坝坝仿真建建模3994.3 胜利水水库拱坝坝仿真分分析及结结论3994.4 胜利水水库拱坝坝除险加固固后运行行效果3395 结结论及展展望4005.1 结论4005.2 展望400参考文献献42附录433A. 作作者在攻攻读学位位期间发发表的论论文目录录：433B

14、. 作作者在攻攻读学位位期间取取得的科科研成果果目录：43V重庆大学硕士学位论文 5 结论及展望1绪论1.1 拱坝的的发展概概况在水利水水电工程程中，挡挡水建筑筑物的种种类和型型式是多多种多样样的，拱拱坝的水水平截面面为弧形形拱圈，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。所以，拱拱坝在国国内外有有很大的的发展。 追追溯拱坝坝的发展展历程，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

15、拱拱坝。在罗马时时代法国国也修建建了一座座坝高为为12 m的鲍鲍姆拱坝坝，是一一个圆筒筒形拱坝坝，由两两层同心心圬工墙墙中间填填塞粘土土构成，随随后修建建的是在在公元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。第一个采采用应力力分析方方法并假假定坝体体是由独独立拱圈圈组成的的，是118544年建成成的，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

16、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 99 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11

17、5 mm以上的的有400余座。到400年代拱拱坝在水水利水电电工程中中才开始始有较大大发展，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。19225119355年的110年间间，美国国在这一一基础上上又提出出考虑切切向变位位与水平平扭转变变的新概概念，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。第一座超超过

18、2000m坝坝高的拱拱坝是美美国于119366年建成成的鲍尔尔德拱坝坝，而第第一座双双曲拱坝坝则是119399年建成成的意大大利奥西西格利塔塔拱坝坝坝高7668 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。如意大大利在119522至l9960年年期间，建建成和正正在施工工的拱坝坝有900多座。就目前拱拱坝的发发展从数数量上说说，自119000年至119600年的660年间间，坝高高在500 m以以上的拱拱坝，共共建成2260座座左右。目前，

19、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。我国的拱拱坝建设设，也有有悠久的的历史，据据记载119277年我国国就修建建过一座座砌石拱拱坝。拱拱坝真正正在我国国发展是是在19949年年以后，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

20、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拱拱坝的结结构特点点拱坝是在在平面上上呈凸向向上游的的拱形挡挡水建筑筑物，借借助拱的的作用将将水压力力的全部部或部分分传给河河谷两岸岸的基岩岩。和重重力坝相相比，在在水压力力作用下下坝体的的稳定不不需要依依靠本身身的重量量来维持持，主要要是利用用拱端基基岩的反反作用力力来支承承。拱圈圈截面上上主要承承受轴向向力，应应力分布布较均匀匀，可充充分利用用筑坝材材料的强强度。因因此，是是一种经经济性和和安全性性都很好好的坝型型。拱坝是一一个变厚厚度、变变

21、曲率而而边界条条件又很很复杂的的空间壳壳体结构构。按其其坝体曲曲率可分分为单曲曲拱坝和和双曲拱拱坝。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。按其其水平拱拱的型式式分类主主要有圆圆拱、二二心拱、三心拱拱、抛物物线拱、椭圆拱拱、对数数螺旋拱拱及混合合曲线拱拱等。拱坝的工工作特点点可以看看成是由由若干水水平拱圈圈和竖直直悬臂梁梁组成的的空间网网格结构构，外部部水压力力由拱、梁共同同承担，大大部分荷荷载通过过拱圈传传向两岸岸坝肩，小小部分通通过悬臂臂梁传到到基础拱坝主要要拱与梁梁的共同同作用而而稳定下下来，稳稳定性主主要依

22、靠靠两岸拱拱端的反反力作用用，因而而对拱端端地基的的要求很很高；有有利于发发挥砼的的抗压强强度，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。拱坝对地地形、地地质条件件都具有有较高的的要求。拱坝对地地形的要要求主要要为：（1）要要求河谷谷狭窄，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

23、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）河河谷左右右两岸大大致对称称，这种种对称的的河谷能能够增强强拱坝的的稳定性性；（3）河河谷平面面形状向向下游收收缩，这这种河谷谷能够增增加拱坝坝坝基的的承受力力，使坝坝体固定定下来，不不致发生生滑动平平移。拱坝对地地质的要要求主要要为：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、渗透性性小。1.3拱拱坝的应应力分析析方法拱坝是世世界上最最安全的的坝型，并并不代表表拱坝就

24、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、重力场场等的相相互作用用，不同同的地形形地质条条件，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

25、坝坝体应力力就显得得极其重重要。 拱坝是是一个变变厚度、变曲率率而边界界条件又又很复杂杂的空间间壳体结结构，拱拱圈的轴轴力很大大，对拱拱圈本身身的变形形和基岩岩变形影影响显著著；坝基基岩体实实际上很很复杂，对对拱坝和和坝基进进行严格格的理论论应力分分析是很很困难的的，在不不同时期期的实际际设计计计算中，通通常根据据当时的的理论水水平和计计算条件件做一些些必要的的假定和和简化，因因而就有有不同的的应力分分析方法法。纯拱法法 纯拱拱法假定定坝体由由若干层层独立的的水平拱拱圈叠合合而成，、每层拱拱圈单独独进行计计算。由由于纯拱拱法没有有反映拱拱圈之间间的相互互作用，假假定荷载载全部由由水平拱拱承担，

26、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)再利用两两端变形形连续条条件，先先求出、，计算算出M、H、VV，有方方程组： (转角角变位连连续条件件) (径向向变位连连续条件件) (切向向变位连连续条件件) 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

27、温度等荷荷载有关关，称为为载常数数。拱梁分分载法拱梁分载载法是将将拱坝视视为有若若干水平平拱圈和和竖直悬悬臂梁组组成的空空间结构构，坝体体承受的的荷载一一部分由由拱系承承担，拱拱和梁的的荷载分分配由拱拱系和梁梁系在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。拱梁分分载把复复杂的弹弹性壳体体问题简简化为结结构力学学的杆件件计算。拱梁分载载法作为为一种传传统的分分析方法法，经过过长时间间的实践践工程的的考验，形形成了一一套通过过不断实实践不断断修订的的强度设设计准则则，被世世界上许许多国家家确定为为拱坝设设计的规规范方

28、法法。但拱拱梁分载载法基础础变形多多数均采采用伏格格特所提提出的计计算方法法，比较较粗略，对对于坝体体内设置置大孔口口，在计计算中难难以合理理反映孔孔口对坝坝体应力力的影响响。此外外，在编编制程序序时，过过去国内内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

29、程序。壳体理理论计算算方法早在200世纪330年代代，F托尔克克就提出出了用壳壳体理论论计算拱拱坝应力力的近似似方法。近年来来由于电电子计算算机的发发展，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。我国泉泉水双曲曲薄拱坝坝采用网网格法进进行计算算，收到到了良好好的效果果。但由由于拱坝坝体形和和边界条条件十分分复杂，使使这种计计算方法法在工程程中应用用受到了了很大的的限制。结构模模型实验验法结构模型型试验也也是研究究拱坝应应力问题题的有效效方法，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

30、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。对于高高拱坝设设计，采采用多种种分析方方法与模模型试验验，已达达到相互互补充、相互验验证，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、成本高高、研究究方案单单一，难难以模拟拟温度、渗流等等荷载。有限元元法所谓有限限元法，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

31、，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。最后通通过节点点上的平平衡条件件，计算算出节点点变位，进进而求出出单元的的应变和和应力。对于拱坝坝的有限限元分析析，可以以将拱坝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：结构离离散化处处理。选择位位移函数数。单元刚刚度矩阵阵的形成成。平面面问题的的刚度矩矩阵表述述如下：式中，为为单元本本构关系系矩阵，为单元应变矩阵。单元等等效节点点荷载列列阵。总体

32、刚刚度矩阵阵的形成成，由第第三步形形成的单单元刚度度矩阵，根根据单元元的连接接情况来来集成总总体刚度度矩阵。然后由由有限元元基本方方程即可可求得位位移向量量。计算应应力，由由第五步步求得的的位移向向量，再再由公式式即可求求得节点点和单元元应力。随着计算算机的发发展，为为拱坝应应力分析析提供了了一条新新的更为为精确的的途径，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。清华大大学开展展的TFFINEE已有220多年年历史，主主要特点点之一是是提出了了基于DD

33、P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。在此程程序上实实现了变变形加固固理论、三维多多重网格格法、断断裂损伤伤及局部部化分析析、网格格自适应应算法、基于三三维有限限元的结结构极限限承载力力分析、并行求求解技术术、适应应拱坝设设计的后后处理系系统。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。有限元

34、元分析部部分备有有接口，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力特征、几何形形状、边边界条件件等均较较复杂，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

35、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。有限元元法具有有较强的的计算功功能，不不但可以以比较合合理的考考虑拱坝坝的整体体作用，还还能进行行各种复复杂条件件下的应应力分析析。早期的有有限元法法计算软软件严格格的说不不能称之之为软件件，实际际上只是是用某种种语言如如FORRTRAAN编写写的有限限元剖分分和计算算程序，从从其组成成上来说说，主要要由数据据文件准准备、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

36、的范围围狭窄、规模也也小，节节点一般般只能限限制在1100000个以以下。这这些特点点使得其其对用户户的要求求很高，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入的的了解。数据文文件准备备工作相相当庞大大，对平平面问题题尚还简简单，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。输入数数据得不不到及时时的检查查，从而而导致数数据有误误，可能能造成工工作中断断甚至无无法进行行下去。本次课题题以ANNSYSS软件为为平台，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

37、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、重力场场作用，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。重庆市酉酉阳县胜胜利水库库属长江江水系龙龙潭河，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

38、长长1411m，弧弧长1669m，坝坝底厚223m。经多年年运行后后水库不不能正常常蓄水，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。本次课题题运用AANSYYS软件件，对酉酉阳水库库大坝进进行有限限元模拟拟分析，建建立大坝坝模型，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。同时利用用ANSSYS软软件包提提供的二二次开发发技术进进行拱坝坝问题求求解，开开发具有有水工特特色的比比较通用用的参数数化拱坝坝仿真分分

39、析系统统，减少少了开发发成本，避避开了繁繁琐的代代码编写写和算法法设计，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AANSYYS的拱拱坝有限限元几何何实体仿仿真建模模2.1有有限元方方法简介介有限元分分析（FFEA，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。有限元分分析是用用较简单单的问题题代替复复杂问题题后再求求解。

40、它它将求解解域看成成是由许许多称为为有限元元的小的的互连子子域组成成，对每每一单元元假定一一个合适适的(较较简单的的）近似似解，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。有限元是是那些集集合在一一起能够够表示实实际连续续域的离离散单元元。有限限元的概概念早在在几个世世纪前就就已产生生并得到到了应用用，例如如用多边边

41、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。有限元元法最初初被称为为矩阵近似似方法，应应用于航航空器的的结构强强度计算算，并由由于其方方便性、实用性性和有效效性而引引起从事事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。有限元方方法与其其他求解解边值问问题近似似方法的的根本区区别在于于它的近近似性仅仅限于相相对小的的子

42、域中中。200世纪660年代代初首次次提出结结构力学学计算有有限元概概念的克克拉夫（CClouugh）教教授形象象地将其其描绘为为：“有有限元法法=Raayleeighh Riitz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

43、法法的原因因之一。对于不同同物理性性质和数数学模型型的问题题，有限限元求解解法的基基本步骤骤是相同同的，只只是具体体公式推推导和运运算求解解不同。有限元元求解问问题的基基本步骤骤通常为为：第一步：问题及及求解域域定义：根据实实际问题题近似确确定求解解域的物物理性质质和几何何区域。第二步：求解域域离散化化：将求求解域近近似为具具有不同同有限大大小和形形状且彼彼此相连连的有限限个单元元组成的的离散域域，习惯惯上称为为有限元元网络划划分。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

44、心技术之之一。第三步：确定状状态变量量及控制制方法：一个具具体的物物理问题题通常可可以用一一组包含含问题状状态变量量边界条条件的微微分方程程式表示示，为适适合有限限元求解解，通常常将微分分方程化化为等价价的泛函函形式。第四步：单元推推导：对对单元构构造一个个适合的的近似解解，即推推导有限限单元的的列式，其其中包括括选择合合理的单单元坐标标系，建建立单元元试函数数，以某某种方法法给出单单元各状状态变量量的离散散关系，从从而形成成单元矩矩阵（结结构力学学中称刚刚度阵或或柔度阵阵）。为保证问问题求解解的收敛敛性，单单元推导导有许多多原则要要遵循。 对工工程应用用而言，重重要的是是应注意意每一种种单元

45、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：总装求求解：将将单元总总装形成成离散域域的总矩矩阵方程程（联合合方程组组），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：联立方方程组求求解和结结果解释释：有限限元法最最终导致致联立方方程组。联立方方程组的的求解可可用直接接法、迭迭代法和和随机法法。求解解结果是是单元结结点处状状态变量量的近似似值。对对于

46、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、二二十年来来,随着着计算机机软硬件件技术的的日新月月异和图图形图像像处理技技术的发发展,有有限元分分析技术术得到了了飞速的的发展,大量优优秀的有有限元商商业软件件如ANNSYSS、ABBAQUUS、MMSC.Marrc、MMSC.Nasstraan、SSUPEERS

47、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。纵观当今今国际上上CAEE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：1、与CCAD软软件的无无缝集成成当今有限限元分析析软件的的一个发发展趋势势是与通通用CAAD软件件的集成成使用，即即在用CCAD软软件完成成部件和和零件的的造型设设计后，能能直接将将模型传传送到CCAE软软件中进进行有限限元网格格划分并并进行分分析计算算，如果果分析的的结果不不满足设设计要求求则重新新进行设设计和分分析，直直到满意意为止，从从而极大大地提高高了设计计水平和和效率。为了满满足工程程师快捷捷地解决决复杂工工程问题题的要求求，许多多商业化化有限元元分析软软件都开开发了和和著名的的CADD软件（例例如Prro/EENGIINEEER、UUniggrapphiccs、 SollidEEdgee、SooliddWorrks、IDEEAS、Benntleey和AAutooCADD等）的的接口。2、更为为强大的的网格处处理能力力有限元法法求解问问题的基基本过程程主要包包括：分分析对象象的离散散化、