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)化項目摘要

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)機理、長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算石體上的波浪滲流力；采用二維離散無和有限元耦合方法分析堆石體的時程響應(yīng)和穩(wěn)定性，進而優(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)計語言 APDL 編制程序，先擬定一組初始條件對重力壩進行整體模擬、細化單元，得到各階段的力學(xué)指標。然后使用 ANSYS 優(yōu)化技術(shù)中的零階優(yōu)化方法進行重力壩斷面優(yōu)化設(shè)計，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，實現(xiàn)設(shè)計的經(jīng)濟性和可行性。

溢流斷面ANSYS 優(yōu)化方法簡介

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，稱為零階優(yōu)化，本質(zhì)是采用最小二乘法進行逼近，求取一個函數(shù)面來擬和求解，然后再對函數(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，但優(yōu)化精度不是很高； 第二種方法是針對第一種優(yōu)化方法缺點改進的方法，叫做一階優(yōu)化，是一種局部尋優(yōu)的精確優(yōu)化方法，它基于目標函數(shù)對設(shè)計變量的敏感程度，使用因變量對設(shè)計變量的偏導(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)化過程

本例是以上游水位 自重 下游水位為設(shè)計工況進行設(shè)計，計算過程中這幾項荷載同時作用在重力壩模型上，這樣能模擬壩體實際受力狀況，求得的結(jié)果能較好地反映實際情況，而不是幾項荷載的疊加。選取 ANSYS 中 2 － D 實體結(jié)構(gòu)單元 PLANE82 劃分網(wǎng)格，實際的混凝土重力壩壩軸線往往較長，對于離開壩肩較遠的壩段，按平面應(yīng)變問題進行分析計算，得出的結(jié)果與實際情況很接近。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，再由關(guān)鍵點直接生成面 。定義壩體和壩基的材料屬性壩基，對壩基各條邊分段，然后進行映射網(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，對各節(jié)點應(yīng)力值進行排序，取出最大應(yīng)力值。

4 進行優(yōu)化設(shè)計

定義 7 個設(shè)計變量，一個狀態(tài)變量和一個目標函數(shù)，用一階優(yōu)化法進行優(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 ANSYS 零階優(yōu)化后，從設(shè)計變量隨迭代次數(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)計方案斷面面積為105 278 m² ，利用ANSYS 優(yōu)化技術(shù)進行多次迭代后，最小目標函數(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，達到經(jīng)濟效益。 2100433B

在惡劣海況下，斜坡式防波堤的混凝土護面塊體在波浪作用下會出現(xiàn)晃動和移位的水力失穩(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面層的相互作用是一個涉及多種介質(zhì)、多物理場和多尺度效應(yīng)的復(fù)雜問題，目前國內(nèi)外研究成果對復(fù)雜離散結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的流場變化特性、波能衰減規(guī)律以及塊體內(nèi)應(yīng)力分布和斷裂機理等知之甚少。本課題旨在通過建立一個精細模擬波浪作用下斜坡堤護面塊體失穩(wěn)和破壞過程的三維流固耦合數(shù)值模型，開展斜坡堤離散護面塊體周圍的復(fù)雜三維流場變化特性、波能衰減規(guī)律以及塊體失穩(wěn)和斷裂機理的基礎(chǔ)研究，得到復(fù)雜形狀護面塊體空隙內(nèi)的流速、壓力以及塊體內(nèi)部應(yīng)力隨時間和空間的變化規(guī)律，研究成果將改變目前斜坡式防波堤主要設(shè)計參數(shù)的確定依賴物理模型試驗的現(xiàn)狀，解決無法定量評估斜坡式防波堤護面塊體穩(wěn)定性的難題，為斜坡式防波堤的設(shè)計、施工和修復(fù)提供一個新的技術(shù)手段。

空腹重力壩是較為經(jīng)濟的壩型，且常用在，溢流壩段部位.以往，比較系統(tǒng)地對空腹重力‘壩溢流斷面進行優(yōu)化設(shè)計的工作，在國內(nèi)尚不多見.利用可行方向法，對其進行探討，并給出一個計算實例。計算結(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.鑒于壩體主要計算荷載為水壓力和壩體自重，揚壓力對空腹壩體應(yīng)力的影響隨壩水體型變化并不明顯，故優(yōu)化過程中進行應(yīng)力分沂時，暫不考慮揚壓力(即在應(yīng)力約束中，按重力壩規(guī)范中的無揚壓力情況考慮)。

溢流斷面優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

采用單位壩長的體積作為目標函數(shù)，應(yīng)力計算采用8結(jié)點等參單元，壩基應(yīng)力計算的邊界范圍可以變動.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)備荷載十泄洪動水壓力；

3.空庫情況：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)的問題多靠經(jīng)驗公式進行估算，巨又通過模型試驗進行驗證，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全開時，堰頂最大負壓值不超過3~6m水頭(按規(guī)范要求)的條件。

(五)幾何約束

幾何約束包括對變量的上、下界約束，以及變量間的相互幾何關(guān)系。