波浪作用下堆石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的離散元分析和斷面優(yōu)化基本信息

堆石體結(jié)構(gòu)在波流力作用下易出現(xiàn)大變位和局部失穩(wěn)。重點(diǎn)研究堆石防波提和拋石基床在波浪花作用下局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)機(jī)理、長(zhǎng)期荷載作用的累積效應(yīng)等總是基于非線性滲透流理論計(jì)算石體上的波浪滲流力；采用二維離散無(wú)和有限元耦合方法分析堆石體的時(shí)程響應(yīng)和穩(wěn)定性，進(jìn)而優(yōu)化斷面。研究可望為工程中散體介質(zhì)的移民定性和斷面優(yōu)化提供分析理論和方法。 2100433B

根據(jù)重力壩基本斷面的幾何特性，利用 ANSYS 的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 APDL 編制程序，先擬定一組初始條件對(duì)重力壩進(jìn)行整體模擬、細(xì)化單元，得到各階段的力學(xué)指標(biāo)。然后使用 ANSYS 優(yōu)化技術(shù)中的零階優(yōu)化方法進(jìn)行重力壩斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)，使重力壩在滿足應(yīng)力約束條件和抗滑穩(wěn)定約束條件的前提下，其斷面面積最小，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

溢流斷面ANSYS 優(yōu)化方法簡(jiǎn)介

ANSYS 中提供了兩種優(yōu)化方法： 第一種方法采用函數(shù)逼近的方法，稱(chēng)為零階優(yōu)化，本質(zhì)是采用最小二乘法進(jìn)行逼近，求取一個(gè)函數(shù)面來(lái)擬和求解，然后再對(duì)函數(shù)面求極值，這是一種普遍適用的優(yōu)化方法，不易陷入局部極值點(diǎn)，但優(yōu)化精度不是很高； 第二種方法是針對(duì)第一種優(yōu)化方法缺點(diǎn)改進(jìn)的方法，叫做一階優(yōu)化，是一種局部尋優(yōu)的精確優(yōu)化方法，它基于目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感程度，使用因變量對(duì)設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)，更加適合于精確的優(yōu)化分析。

溢流斷面重力壩優(yōu)化過(guò)程

本例是以上游水位 自重 下游水位為設(shè)計(jì)工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算過(guò)程中這幾項(xiàng)荷載同時(shí)作用在重力壩模型上，這樣能模擬壩體實(shí)際受力狀況，求得的結(jié)果能較好地反映實(shí)際情況，而不是幾項(xiàng)荷載的疊加。選取 ANSYS 中 2 － D 實(shí)體結(jié)構(gòu)單元 PLANE82 劃分網(wǎng)格，實(shí)際的混凝土重力壩壩軸線往往較長(zhǎng)，對(duì)于離開(kāi)壩肩較遠(yuǎn)的壩段，按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析計(jì)算，得出的結(jié)果與實(shí)際情況很接近。壩體上下游地基剖分寬度為2 倍壩高，壩基剖分深度也是 2 倍的壩高。

1 前處理

模型建立為由下向上，先建立關(guān)鍵點(diǎn)，再由關(guān)鍵點(diǎn)直接生成面 。定義壩體和壩基的材料屬性壩基，對(duì)壩基各條邊分段，然后進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。

2 求解

施加邊界約束條件和荷載，施加的荷載為自重 上游水壓力 泥沙壓力 下游水壓力。

3 后處理

各單元體積，求和算出總體積，對(duì)各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值進(jìn)行排序，取出最大應(yīng)力值。

4 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

定義 7 個(gè)設(shè)計(jì)變量，一個(gè)狀態(tài)變量和一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，用一階優(yōu)化法進(jìn)行優(yōu)化分析，可得到滿足要求的最優(yōu)化方案。

溢流斷面優(yōu)化分析

經(jīng)過(guò) ANSYS 零階優(yōu)化后，從設(shè)計(jì)變量隨迭代次數(shù)變化的曲線可以看出，x₁ ，x₃ 和 x₄ 的變化較明顯，x₂ 和 x₅ 的變化幅度不大，但斷面面積顯著下降。初始設(shè)計(jì)方案斷面面積為105 278 m² ，利用ANSYS 優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行多次迭代后，最小目標(biāo)函數(shù)值即為 98 000 m² ，且 Mises 應(yīng)力滿足要求，節(jié)省了大約 20% 的用料，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益。 2100433B

在惡劣海況下，斜坡式防波堤的混凝土護(hù)面塊體在波浪作用下會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)和移位的水力失穩(wěn)現(xiàn)象以及應(yīng)力破壞的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象。由于波浪與斜坡堤護(hù)面層的相互作用是一個(gè)涉及多種介質(zhì)、多物理場(chǎng)和多尺度效應(yīng)的復(fù)雜問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外研究成果對(duì)復(fù)雜離散結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的流場(chǎng)變化特性、波能衰減規(guī)律以及塊體內(nèi)應(yīng)力分布和斷裂機(jī)理等知之甚少。本課題旨在通過(guò)建立一個(gè)精細(xì)模擬波浪作用下斜坡堤護(hù)面塊體失穩(wěn)和破壞過(guò)程的三維流固耦合數(shù)值模型，開(kāi)展斜坡堤離散護(hù)面塊體周?chē)膹?fù)雜三維流場(chǎng)變化特性、波能衰減規(guī)律以及塊體失穩(wěn)和斷裂機(jī)理的基礎(chǔ)研究，得到復(fù)雜形狀護(hù)面塊體空隙內(nèi)的流速、壓力以及塊體內(nèi)部應(yīng)力隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，研究成果將改變目前斜坡式防波堤主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定依賴(lài)物理模型試驗(yàn)的現(xiàn)狀，解決無(wú)法定量評(píng)估斜坡式防波堤護(hù)面塊體穩(wěn)定性的難題，為斜坡式防波堤的設(shè)計(jì)、施工和修復(fù)提供一個(gè)新的技術(shù)手段。

空腹重力壩是較為經(jīng)濟(jì)的壩型，且常用在，溢流壩段部位.以往，比較系統(tǒng)地對(duì)空腹重力‘壩溢流斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作，在國(guó)內(nèi)尚不多見(jiàn).利用可行方向法，對(duì)其進(jìn)行探討，并給出一個(gè)計(jì)算實(shí)例。計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的溢流壩段斷面可比常規(guī)采用的斷面節(jié)省壩體工程量17.5%。

溢流斷面基本假定

溢流斷面的優(yōu)化，采用以下一些基本假定：

1.溢流斷面選用10個(gè)優(yōu)化變量，即工x_1、x₂……x₁₀。

2.已知壩體與地基材料特性，并假定壩體和壩基的材料為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的線彈性體，不考慮壩基中存在斷層的情況。

3.壩踵控制應(yīng)力采用壩基面以上3m處的壩踵應(yīng)力，抗滑穩(wěn)定采用抗剪斷公式計(jì)算，但優(yōu)化程序中亦有使用摩擦公式的功能。

4.不考慮溫度荷載的作用，其作用由工程措施解決。

5.鑒于壩體主要計(jì)算荷載為水壓力和壩體自重，揚(yáng)壓力對(duì)空腹壩體應(yīng)力的影響隨壩水體型變化并不明顯，故優(yōu)化過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)力分沂時(shí)，暫不考慮揚(yáng)壓力(即在應(yīng)力約束中，按重力壩規(guī)范中的無(wú)揚(yáng)壓力情況考慮)。

溢流斷面優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

采用單位壩長(zhǎng)的體積作為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)力計(jì)算采用8結(jié)點(diǎn)等參單元，壩基應(yīng)力計(jì)算的邊界范圍可以變動(dòng).約束情況包括應(yīng)力約束、穩(wěn)定約束、水力學(xué)約束以及幾何約束，并同時(shí)考慮在以下三種荷載組合情況下，得出最優(yōu)解。

(一)荷載組合

1.正常水位水壓力 壩體自重 閘墩重量 壩上設(shè)備荷載；

2.校核洪水位水壓力 壩體自重 閘墩重量 壩上設(shè)備荷載十泄洪動(dòng)水壓力；

3.空庫(kù)情況：壩體自重十閘墩重量十壩上設(shè)備荷載。

（二）應(yīng)力約束

1.壩基面以上3m處壩踵不得出現(xiàn)主拉應(yīng)力(在三種工況下)；

2.在第一種工況下，壩體上游面最小主壓應(yīng)力不得小于0.25rH(r為容重，H為計(jì)算應(yīng)刀處的作用水頭)；

3.在三種工況下，離壩基面3m以上的壩體主壓應(yīng)力值不得超過(guò)容許壓應(yīng)力值；

4.在三種工況下，空腹邊緣最大主拉應(yīng)力值不得超過(guò)壩體容許拉應(yīng)力值；

5.在三種工況下，下游面最大主拉應(yīng)力值不得超過(guò)容許拉應(yīng)力值。

(三)穩(wěn)定約束

1.在第一種工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于相應(yīng)容許值；

2.在第二種工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于相應(yīng)容許值。

(四)水力學(xué)約束

由于泄流挑距及下游沖坑深度等涉及水力學(xué)的問(wèn)題多靠經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，巨又通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，故暫不加以考慮.所考慮的水力學(xué)約束，只是在校核洪水位閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，堰頂最大負(fù)壓值不超過(guò)3~6m水頭(按規(guī)范要求)的條件。

(五)幾何約束

幾何約束包括對(duì)變量的上、下界約束，以及變量間的相互幾何關(guān)系。