高拱坝流固耦合数值分析方法研究.docx

1、 毕 业 设 计(论 文)高拱坝流固耦合数值分析方法研究 专业年级 学 号 姓 名 指导老师 评 阅 人 二xx年六月 中国 南京摘 要在水工抗震计算中，地震作用下的动水压力是水工建筑物必须考虑的重要荷载之一。研究地震作用下水工建筑物与水体的相互作用是水工抗震设计的一个重要课题。本文研究了流固耦合分析中的数值仿真方法，并基于ANSYS有限元分析软件，结合天花板水电站拱坝工程建立三维有限元分析模型，进行高拱坝的有限元抗震分析。主要内容如下：1、综述了拱坝的结构特点和发展概况、流固耦合分析以及抗震分析的研究现状。介绍了ANSYS软件及其APDL语言的二次开发技术、水工结构动力分析方法以及反应谱法和

2、时程分析法在ANSYS软件中的实现过程。2、详细论述了流固耦合分析的基本理论及求解方法。重点研究了在ANSYS软件中考虑动水压力的方法，并对其实现步骤作了说明。以一个二维重力坝水体地基有限元分析模型为例，分析重力坝在空库、死水位、满库三种情况下的自振特性，并且分析坝库系统承受水平位移激励作用时的水体动水压力分布规律。3、结合天花板水电站拱坝工程，建立了拱坝-地基的三维有限元模型，分析了正常蓄水位和死水位下的两种基本静力工况的位移及应力的分布情况；研究了拱坝的动力特性，并采用反应谱分析法和时程分析法分析了正常蓄水期拱坝在地震作用下的动位移以及动应力分布情况，最后对天花板拱坝抗震性能作出安全评价，

3、成果合理，可以为工程设计提供参考。关键词:流固耦合；ANSYS；拱坝；抗震分析AbstractIn the calculation of hydraulic seismic, hydrodynamic pressure under the earthquake is one of important loads must be considered.The research on the interaction between hydraulic structure and water is an important topic in the aseismic design. This pap

4、er studied numerical simulation method of fluid-solid coupling,based on ANSYS finite element analysis software, established a project 3-d finite element analysis model for high arch dams combining the ceiling hydropower dam.Main contents are as follows:1.Summarized the structural characteristics and

5、 development situation of arch dam survey, fluid-solid coupling analysis and the status quo of seismic analysis . Introduced the ANSYS software and its secondary development technique of language APDL, also introduced the realization process of hydraulic structure dynamic analysis method and respons

6、e spectrum method and the time-history analysis in the ANSYS software.2.Discusses the basic theory and solving method of fluid-solid coupling analysis in details.Mainly studied considering the hydrodynamic pressure in the ANSYS software and explained its implementation steps.Take a two-dimensional g

7、ravity dam water-foundation model for example,analyzing the gravity dams free vibration under the three situation as followed: the empty reservoir ,dead water level and the full reservoir.Analyzed distribution law of hydrodynamic pressure when the dam-library system under horizontal displacement exc

8、itation.3.Established a arch dam-foundation three-dimensional finite element model combining with the ceiling hydropower station, and analysed displacement and distribution of stress under the normal storage level and the dead water level.Study the dynamic characteristics of arch dam, and used the r

9、esponse spectrum analysis and time-history analysis to analyze displacement and distribution of stress under the earthquake during the normal storage level period.Finally, made a safety evaluation to ceiling seismic performance.The achievement is reasonable, can be provided reference for the enginee

10、ring design.Keyword：fluid-solid coupling,ANSYS,arch dam,seismic analysis目录第一章 绪论- 1 -1.1 选题的背景及意义- 1 -1.2 拱坝的类型、特点及其发展- 1 -1.2.1 拱坝的类型- 2 -1.2.2 拱坝的主要特点- 2 - 1.2.3 拱坝的发展- 3 -1.3 流固耦合理论研究现状- 3 -1.3.1流固耦合的定义及其分类- 3 -1.3.2库水流固耦合理论研究发展过程- 5 -1.4 结构地震反应分析理论现状- 6 -1.5 本文的主要研究内容- 7 -第二章 动力分析理论- 8 -2.1 ANSY

11、S软件简介- 8 -2.1.1 ANSYS软件概述- 8 -2.1.2 APDL参数化语言概述- 8 -2.2 动力分析有限元基本理论- 9 -2.2.1 结构动力平衡方程- 9 -2.2.2 结构自振特性的计算- 10 -2.3反应谱分析理论与方法- 12 -2.4时程分析法理论与方法- 16 -2.5地震波输入与选取- 19 -2.6本章小结- 21 -第三章 流固耦合分析的基本理论- 22 -3.1无粘小扰动流动的基本方程和表达形式- 22 -3.1.1 无粘小扰动流动的基本方程- 22 -3.1.2 以压力p为场变量的表达形式- 23 -3.2流固耦合系统有限元分析的格式- 23 -3

12、.2.1流固耦合系统的动力学模型和基本方程及边界条件- 23 -3.2.2流固耦合的有限元方程- 25 -3.3两种求解动水压力的方法- 27 -3.3.1基于ANSYS的附加质量法- 27 -3.3.2 物理场耦合分析方法- 31 -3.4 考虑流固耦合的重力坝振动特性研究- 32 -3.4.1 模型的选取及计算参数的确定- 32 -3.4.2 重力坝流固耦合的附加质量求解- 33 -3.4.3 基于ANSYS的顺序弱耦合分析- 34 -3.5本章小结- 36 -第四章 天花板拱坝抗震分析- 37 -4.1工程简介- 37 -4.1.1工程概况- 37 -4.1.2 工程地质- 37 -4.

13、2 计算模型- 38 -4.2.1计算模型与网格划分- 38 -4.2.2 物理力学参数- 39 -4.3计算荷载及工况组合- 40 -4.3.1计算荷载- 40 -4.3.2 工况组合- 41 -4.4拱坝静力分析- 42 -4.4.1 基本工况一- 42 -4.4.2 基本工况二- 45 -4.4.3 基本工况分析小结- 48 -4.5 拱坝地震响应反应谱法分析- 49 -4.5.1 模态分析- 49 -4.5.2拱坝在地震作用下的动力响应- 53 -4.5.3 静动叠加分析- 56 -4.6拱坝地震响应时程分析- 63 -4.6.1 拱坝动位移与应力响应- 63 -4.6.2静动叠加分析

14、- 65 -4.7 拱坝抗震安全评价- 68 -4.8 本章小结- 69 -第五章 结论与展望- 70 -5.1 本文工作总结- 70 -5.2 展望- 70 -参考文献- 72 -致谢- 74 -V第一章 绪论1.1 选题的背景及意义随着我国经济的高速发展，我国水电建设迎来高峰时期，高坝大库不断涌现，而小湾、溪洛渡、拉西瓦等规模巨大的300米级高拱坝多数在水能资源最丰富的西部地区进行建设。但是，我国是一个地震多发的国家，地震范围广而且强度高，而西部地区地震带更加活跃，新构造运动强烈，地质环境极不稳定，属于高地震烈度区。在这一地震高烈度区，抗震安全多为工程建设中的关键之一。高拱坝作为大型水利工

15、程，其安全运行必须得到保证，高拱坝抗震性能评价关系到下游广大地区工农业生产和人民生命财产的安全，所以具有特别重要的意义。地震作用必将引起坝体运动和库水的运动，导致水体荷载的分布和大小发生改变，而且受坝体变形的影响。而拱坝由于体型单薄，单位质量所承受的动水压力很大，地震时坝体对动水压力的反应比较敏感，动水压力的大小直接关系到大坝的抗震安全。因此，水库对上游坝面作用的动水压力是危害坝体安全的一个不可忽视的重要因素1。因此，在水工结构抗震计算中，常将动水压力作为必须考虑的重要荷载之一。尤其对高拱坝而言，搞清楚动水压力的规律，从而研究减小动水压力的工程措施，对提高拱坝的抗震安全性具有重要的意义。1933年韦斯特伽特(H.M.Westergaard)发表其著名论文地震时作用于坝面上的动水压力2，文中假定坝体和地基为刚性，首先研究了刚性垂直坝面动水压力。从这时起，研究地震作用下高拱坝与库水的相互作用开始成为水工抗震设计中的重要课题。在随后的70多年期间，