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砌石拱坝三维有限元分析及设计优化

作　者: 郭艳军
导　师: 李宗坤；赵凤遥
学　校: 郑州大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 砌石拱坝有限单元法应力位移等效应力体形优化
分类号: TV642.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 40次
引　用: 1次
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内容摘要

砌石拱坝是一种拱形推力结构,不仅能充分利用两岸岩石强度,同时具有可就地取材、节省劳动力、初期工程量小等优点,是一种经济、综合安全性能高的坝型,在水利建设中发挥着越来越重要的作用。砌石拱坝具有复杂的几何形状、边界条件及应力状态,因此,在修建一座拱坝之前,需进行应力计算、变形及结构稳定性分析,以便确定工程项目的可行性。本文介绍了常用的结构分析方法：纯拱法、拱梁分载法及有限单元法。详细阐述了有限单元法在拱坝应力计算、变形计算及在体形优化过程中的应用,同时还对传统的拱坝优化算法及智能优化算法进行了阐述。借助大型通用有限元分析软件ANSYS,对拟建的佛湾水库砌石拱坝进行多种工况下的模拟计算,通过对其应力状态、变形及其体形优化结果分析对比,进而确定该拱坝的设计方案,同时也为同类型、相似地质条件下的拱坝设计提供一定的参考。本文主要研究工作如下：(1)介绍了拱坝结构分析的传统计算方法和有限单元法用于拱坝计算的原理及步骤。(2)在ANSYS10.0环境下进行参数化建模,并对三维有限元模型进行各种荷载组合下的静力分析及等效应力分析,同时,在地震荷载作用下,将动水压力转化为附加质量,对拱坝进行模态分析,计算地震情况下坝体的应力及变形情况。(3)了解拱坝优化设计原理与方法,熟悉蚁群算法的优化原理,用C++语言编写基于图解的蚁群优化算法程序,借助有限元分析,实现拱坝体形优化设计。(4)根据三维有限元计算结果及优化计算结果,结合工程实际,为工程的实施提供设计依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
1 绪论  10-16
  1.1 砌石拱坝的发展概况及特点  10-12
    1.1.1 砌石拱坝的发展概况  10
    1.1.2 砌石拱坝的特点  10-12
  1.2 砌石拱坝传统分析方法  12-13
  1.3 有限单元法在砌石拱坝分析中的应用  13-14
  1.4 砌石拱坝优化设计发展现状  14-15
  1.5 本文主要研究内容及意义  15-16
2 拱坝有限元计算原理  16-33
  2.1 有限单元法的计算原理  16-20
    2.1.1 有限元分析的主要步骤  16-17
    2.1.2 三维有限元分析方程  17-20
  2.2 三维有限元分析在ANSYS中的实现  20-21
    2.2.1 创建有限元模型  20-21
    2.2.2 模型加载与求解  21
    2.2.3 结果后处理分析  21
  2.3 有限元等效应力计算  21-27
    2.3.1 截面内力计算  22-24
    2.3.2 坝体上下游坝面应力计算  24-26
    2.3.3 基于ANSYS的等效应力实现过程  26-27
  2.4 砌石拱坝抗震计算理论与方法  27-32
    2.4.1 模态分析基本原理  27-29
    2.4.2 反应谱计算分析  29-30
    2.4.3 库水与坝体耦合振动  30-31
    2.4.4 附加质量的计算方法  31-32
  2.5 本章小结  32-33
3 佛湾水库砌石拱坝三维有限元静动力分析  33-59
  3.1 概况  33-36
    3.1.1 工程概况  33-34
    3.1.2 拱坝基本资料  34-36
    3.1.3 温度荷载计算  36
  3.2 拱坝有限元模型  36-38
  3.3 拱坝有限元计算结果及分析  38-47
    3.3.1 各工况位移计算结果与分析  38-40
    3.3.2 各工况应力计算结果与分析  40-47
  3.4 有限元等效应力计算结果分析  47-51
  3.5 砌石拱坝抗震计算分析  51-58
    3.5.1 计算模型和计算参数  51
    3.5.2 计算工况与计算荷载  51
    3.5.3 正常蓄水位情况下模态分析结果  51-54
    3.5.4 抗震计算结果分析  54-58
  3.6 本章小结  58-59
4 拱坝优化基本理论与方法  59-68
  4.1 拱坝体形优化基本概念  59-62
    4.1.1 拱坝体形优化数学模型  59-60
    4.1.2 约束条件  60-61
    4.1.3 目标函数  61-62
  4.2 拱坝优化设计方法  62-64
    4.2.1 传统数学优化方法  62-63
    4.2.2 现代智能优化算法  63-64
  4.3 蚁群优化算法  64-67
    4.3.1 蚁群算法的基本思想  64-66
    4.3.2 基于图解的蚁群系统  66-67
  4.5 本章小结  67-68
5 基于蚁群优化算法的砌石拱坝优化  68-74
  5.1 佛湾拱坝优化过程及优化结果  68-73
    5.1.1 工程基本资料  68
    5.1.2 拱坝有限元计算模型  68-69
    5.1.3 荷载组合  69
    5.1.4 应力及稳定约束条件  69-70
    5.1.5 优化过程  70
    5.1.6 优化结果  70-73
  5.2 本章小结  73-74
6 结论与展望  74-76
  6.1 结论  74-75
  6.2 展望  75-76
参考文献  76-78
个人简历  78-79
致谢  79

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