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碾压混凝土拱坝材料布局优化以及坝基对坝体边界应力的影响

作　者: 韩亚平
导　师: 辛全才
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 碾压混凝土拱坝 ANSYS 分区分析优化分析弹性模量
分类号: TV642.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本论文的研究内容以贵州省务川沙坝水电站（碾压混凝土双曲拱坝）为依托，采用国际大型通用有限元软件ANSYS对运行期的沙坝进行三维有限元数值分析，结合沙坝的设计资料以及坝体弹性模量的反演结果，对坝体运行期的实际状态进行结构分析，在此基础上提出坝体分区的建议，并应用ANSYS模拟分区后的坝体进行结构计算，对比结果得出有利于坝体运行状态的材料分区规律。本文的研究重点如下：（1）根据设计资料，整理分析务川沙坝拱坝的总体布置、坝体结构、筑坝材料等概况，确定拱坝数值模拟的相关参数，建立拱坝数值模拟模型，在选定的工况下计算拱坝在运行期的坝体应力以及变形。分析坝体应力以及位移的数值以及分布规律，在分析的基础上提出材料分区设计方案，设计多种材料分区方案，分别计算在各个分区方案下坝体的应力以及位移结果，对比分析坝体应力以及位移结果，得出有利于坝体稳定的分区规律。（2）针对务川沙坝碾压混凝土拱坝，在ANSYS软件的优化模块中，利用APDL语言编制分析文件，以拱坝材料各个分区的弹性模量作为设计变量，拱坝的最大拉应力为目标函数，其他条件作为状态变量，在ANSYS中进行最优化求解，通过迭代计算得出使目标函数最优的分区弹性模量的取值。（3）以务川沙坝碾压混凝土拱坝为对象，建立拱坝和地基相互作用的数值模型，将坝基分为坝底高程以上和坝底高程以下两个部分，假设坝基的弹性模量为变量，应用大型有限元结构分析软件（ANSYS）进行计算分析，得出坝底高程以上坝基的弹性模量以及坝底高程以下坝基的弹性模量取值对于拱坝在结构分析中的坝体边界应力的影响。为拱坝设计中坝基的弹性模量确定以及坝体材料弹性模量的选取提供一定的依据。论文的研究内容是以务川沙坝碾压混凝土拱坝为对象，对该坝的坝体做了分区分析，提出一些有效改善坝体稳定状态的材料分区设计方案，并利用ANSYS软件的优化功能对各个分区的弹性模量的取值给出建议值以及分析坝基弹性模量的取值对于坝体稳定状态的影响。对于实际的拱坝工程中的坝体材料的选取以及坝体分区设计具有一定的参考意义。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-17
  1.1 概述  12-14
    1.1.1 碾压混凝土拱坝发展  12-13
    1.1.2 碾压混凝土坝存在的问题以及处理方法  13-14
    1.1.3 研究目的和意义  14
  1.2 研究现状  14-16
    1.2.1 水工结构数值分析  14-15
    1.2.2 拱坝材料分区的现状  15-16
  1.3 本文研究内容  16-17
    1.3.1 拱坝材料分区  16
    1.3.2 拱坝材料 ANSYS 优化  16
    1.3.3 拱坝坝基弹性模量取值对于坝体应力的影响  16-17
第二章碾压混凝土拱坝数值分析  17-29
  2.1 ANSYS 简介  17-18
    2.1.1 ANSYS 软件  17
    2.1.2 参数化设计语言 APDL  17-18
  2.2 结构有限元理论  18-22
    2.2.1 有限元分析基本理论  18-21
    2.2.2 拱坝分析中应用的有限元方法  21-22
  2.3 ANSYS 结构分析  22-23
    2.3.1 结构离散化  22
    2.3.2 单元分析  22
    2.3.3 单元组集  22-23
  2.4 ANSYS 结构优化设计理论  23-24
    2.4.1 基本理论  23
    2.4.2 优化设计数学模型  23-24
    2.4.3 优化分析步骤  24
  2.5 拱坝坝体结构有限元分析  24-27
    2.5.1 建立模型  25
    2.5.2 施加荷载  25-26
    2.5.3 重点处理  26-27
    2.5.4 后处理  27
  本章小结  27-29
第三章沙坝碾压混凝土拱坝坝体材料分区分析  29-51
  3.1 有限元模型  29
  3.2 坝体参数  29-32
    3.2.1 荷载组合  29-31
    3.2.2 坝体参数  31-32
  3.3 分区分析  32-47
    3.3.1 思路  32-33
    3.3.2 结果判别  33-34
    3.3.3 设计模型计算  34-36
    3.3.4 分区布置  36-37
    3.3.5 分区计算分析  37-46
    3.3.6 结论  46-47
  3.4 ANSYS 优化  47-49
    3.4.1 思路  47
    3.4.2 优化数学模型  47-49
    3.4.3 优化结果  49
    3.4.4 结果分析  49
  本章小结  49-51
第四章坝基弹性模量的变化对坝体边界应力的影响  51-66
  4.1 概述  51
  4.2 地质模型  51-53
    4.2.1 地质结构  51-52
    4.2.2 模拟范围及边界条件  52
    4.2.3 计算参数  52
    4.2.4 荷载以及荷载组合  52-53
    4.2.5 计算工况  53
  4.3 变形模量对拱坝边界应力的影响  53-65
    4.3.1 坝底高程以上坝基弹性模量对坝体应力的影响  53-59
    4.3.2 坝底高程以下坝基弹性模量对坝体应力的影响  59-65
  本章小结  65-66
第五章结论与展望  66-68
  5.1 结论  66-67
  5.2 展望  67-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
作者简介  72

碾压混凝土拱坝材料布局优化以及坝基对坝体边界应力的影响

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