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渐变材料置换拱坝应力集中区域的应力变化仿真研究

作　者: 蒋承杰
导　师: 苏志敏
学　校: 昆明理工大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 混凝土拱坝有限元 ANSYS APDL 热—耦合结构高强度低弹模混凝土材料置换应力
分类号: TV642.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

拱坝是一种几何形状复杂的空间壳体结构,在水利水电建设中占有非常突出的地位,它以结构合理,体型优美,安全性高,经济型优越而被国内外广泛采用。运行过程中,由于外界温度的变化,坝体内部会产生温度荷载。温度上升时,温度荷载就会使坝体内部压应力变大,温度下降时,坝体内部拉应力则会增加。混凝土抗拉强度大大低于抗压强度,因此,温降时,坝体会由于拉应力值超过混凝土的抗拉强度而产生裂缝,影响坝体的安全。本文通过几种置换混凝土的方案,来改善拉应力状态,并研究置换混凝土的弹性模量与应力状态变化之间的关系。拱坝的应力分析方法主要有拱梁分载法跟有限元法。理论上,有限元法比拱梁分载法完善和先进,是一种相对精确的数值计算方法。有限元法的计算功能也优于结构力学法,可以处理诸多拱梁分载法中难以处理的问题；考虑拱坝整体刚度,地基和坝之间的相互之间的作用；可以模拟开孔,复杂基础,重力墩等其他的不规则外形；还可以模拟拱坝施工期和运行过程的问题。国内外许多工程中,采用有限元法分析坝体稳定、强度等问题,积累了大量混凝土拱坝应力分析的经验。随着拱坝大量建设和发展,有限元法的应用也越来越广泛深入,它终将取代多拱梁法,成为拱坝设计的主要方法。本文以某拱坝模型为例,用高强度低弹模混凝土局部置换混凝土(用高强度低弹模混凝土置换坝体拉应力值较大区域的混凝土),以有限元ANSYS10.0为平台,拱坝模型建立后,采用SOLID226单元划分单元,利用直接耦合法计算拱坝的应力。论文中比较了温升和温降的应力分布,采用拉应力最大的温降工况为置换效果的研究工况,通过置换混凝土方案比对,得到弹模改变跟应力的关系,并提出弹模置换为5GPa时,应力值发生突变,导致工程结构不安全,提供一个弹模置换范围,为工程实例提供一定的参考标准。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
第—章绪论  8-18
  1.1 拱坝的设计发展概述及结构特点  8-10
    1.1.1 拱坝设计的发展概述  8-9
    1.1.2 拱坝的结构特点  9-10
  1.2 拱坝的应力分析  10-15
    1.2.1 拱坝应力分析主要方法  10-14
    1.2.2 拱梁分载法与有限单元法比较  14-15
  1.3 有限单元法分析拱坝的现状  15-16
  1.4 选题依据及研究内容  16-17
    1.4.1 课题意义  16-17
    1.4.2 课题的主要内容  17
  1.5 本章小结  17-18
第二章有限单元法基本原理  18-29
  2.1 引言  18
  2.2 有限单元的理论基础  18-19
  2.3 有限单元法应用于拱坝的优点  19
  2.4 有限单元法基本思路  19-25
    2.4.1 结构离散化  19-20
    2.4.2 选择位移模式  20
    2.4.3 建立单元刚度矩阵  20-22
    2.4.4 计算等效节点力  22-23
    2.4.5 单元集成  23-25
    2.4.6 求解未知节点位移  25
    2.4.7 计算应力  25
  2.5 温度应力的有限元计算  25-28
  2.6 有限元的收敛准则  28
  2.7 本章小结  28-29
第三章基于ANSYS的拱坝参数化建模及其热—结构耦合分析  29-43
  3.1 引言  29
  3.2 有限元软件ANSYS及其APDL简介  29-31
    3.2.1 ANSYS简介  29-30
    3.2.2 APDL简介  30-31
  3.3 基于ANSYS的拱坝参数化几何模型  31-35
    3.3.1 坐标系的选择  31
    3.3.2 坝体参数化设计  31-32
    3.3.3 坝基参数化设计  32-35
  3.4 拱坝有限元分析中常用的单元类型  35-37
  3.5 拱坝的网格剖分  37-39
  3.6 基于ANSYS的有限元网格划分方法  39-41
    3.6.1 自由网格划分  39
    3.6.2 映射网格划分  39-40
    3.6.3 扫掠网格划分  40-41
    3.6.4 混合网格划分  41
  3.7 热—结构耦合分析方法  41-42
    3.7.1 顺序耦合法  42
    3.7.2 直接耦合法  42
  3.8 小结  42-43
第四章渐变材料置换拱圈的数值模拟  43-56
  4.1 引言  43
  4.2 高强度低弹模混凝土介绍  43-45
    4.2.1 特点和性能  44
    4.2.2 高强度低弹模混凝土配合比设计要求  44-45
  4.3 材料置换拱圈模型  45-46
  4.4 材料置换的三种方案对比  46-49
  4.5 弹模变化与应力变化关系的VT分析  49-55
    4.5.1 拉应力与压应力最大的节点VT分析  49-52
    4.5.2 材料置换边界节点应力分析  52-55
  4.6 本章小结  55-56
第五章混凝土材料置换运用在拱坝的有限元仿真计算  56-78
  5.1 引言  56
  5.2 建模基本资料  56-58
    5.2.1 坝体体型  56-57
    5.2.2 材料参数  57-58
  5.3 荷载组合  58
  5.4 荷载  58-61
    5.4.1 自重荷载  58
    5.4.2 静水压力  58
    5.4.3 泥沙压力  58-59
    5.4.4 温度荷载  59-61
  5.5 仿真计算过程  61-63
  5.6 计算过程及结果分析  63-77
    5.6.1 温度场计算成果  63-66
    5.6.2 置换方案比对及应力分析  66-77
  5.7 本章小结  77-78
第六章结论与展望  78-80
  6.1 主要工作  78
  6.2 结论  78-79
  6.3 展望  79-80
参考文献  80-83
致谢  83-84
附录硕士期间发表的论文  84

渐变材料置换拱坝应力集中区域的应力变化仿真研究

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