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覆盖层上的水闸三维有限元静力模拟分析研究

作　者: 李元平
导　师: 张文捷
学　校: 南昌大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 分洪闸覆盖层三维有限元水利工程计算模型
分类号: TV311
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

我国的水资源十分丰富,江川河流众多,在过去的短短几十年里就修建了许多的闸坝等水利工程。然而较多的水利工程是建在地基较软的覆盖层基础之上,当今如何处理在覆盖层基础之上修建水闸等水利工程所遇到的技术问题,节省工程投资、优化闸室结构设计等是水利工程师们所极为关心的问题；覆盖层对闸室结构的影响及两者的相互作用规律是个复杂的关键问题,目前对这方面的研究还不成熟,需要人们进一步去探索和研究。本文运用大型有限元结构分析软件ANSYS,以康山分洪闸作为基本的计算模型,且拟定了地基模拟的范围,选取其中相联的两孔建立三维有限元计算模型。在康山分洪闸三维有限元分析中,所有实体单元均采用SOLID 45六面体单元进行模拟,闸室中的混凝土结构和基岩均采用线弹性体材料模型模拟,而基岩上的多层覆盖层采用Drucker-Prager本构模型模拟。闸门所受的上游水推力按作用于闸墩牛腿上的等效节点力施加；上下游水压力以面力的形式作用在水闸的相应位置;扬压力以面力的形式作用在水闸底板上,考虑结构重力和地基自重。在有限元计算区域边界约束中,考虑到模型模拟的范围已足够大,故假定模型周边不存在水平位移,采用水平连杆方式连接；模型底部的岩石地基采用三向固定约束。本文重点分析康山分洪闸闸室结构和地基覆盖层在完建期、设计洪水位和校核洪水位三种工况下闸室结构所发生的位移和应力分布及变化特征；并且在这三种工况下,对所发生的位移变化趋势和应力变化情况进行对比和分析。同时为了进一步分析覆盖层厚度对闸室结构的影响,仍以康山分洪闸为基本的计算结构模型,通过改变覆盖层厚度,建立多个有限元计算模型,根据计算结果分析覆盖层厚度变化后对闸室结构位移和应力的影响,从中找出一些规律,为建在覆盖层上的水闸设计提供一些依据。为了分析水闸中墩对闸底板变形和应力分布的影响,本文还通过改变水闸中墩的厚度建立多个有限元计算模型,找出不同厚度的中墩对闸底板变形和应力变化的规律。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-9
第1章绪论  9-16
  1.1 概述  9-10
  1.2 水闸的特点  10-11
  1.3 水闸设计研究概况  11-14
  1.4 本文主要研究内容  14-16
第2章水闸静力计算的有限单元法  16-24
  2.1 水闸的结构及荷载特性  16-17
    2.1.1 水闸底板刚度的影响  16
    2.1.2 水流对闸基土体产生的静水压力和渗透力  16-17
  2.2 弹塑性应力应变关系  17-21
    2.2.1 屈服准则与加卸载准则  18-19
    2.2.2 流动法则  19
    2.2.3 强化定理  19-21
  2.3 闸室与地基的本构模型  21-22
    2.3.1 弹性模型  21
    2.3.2 弹塑性模型  21-22
  2.4 强度准则介绍  22-24
    2.4.1 最大应力准则  22
    2.4.2 Mohr-Coulomb准则  22-23
    2.4.3 Drueker-prager准则  23
    2.4.4 H-T-C四参数准则  23
    2.4.5 William—Warnke五参数准则  23-24
第3章水闸结构的有限元计算模型  24-31
  3.1 ANSYS在结构分析中的应用介绍  24-25
  3.2 ANSYS在结构在结构静力分析中的应用  25-26
    3.2.1 创建有限元模型  25-26
    3.2.2 加裁和求解  26
    3.2.3 查看结果  26
  3.3 非线性问题的分类  26-28
    3.3.1 材料的非线性  26-27
    3.3.2 几何非线性  27
    3.3.3 接触非线性  27-28
  3.4 非线性有限元的解法  28-30
    3.4.1 增量法  28-29
    3.4.2 变刚度迭代法  29
    3.4.3 增量变刚度迭代法  29-30
  3.5 水闸单元网格划分原则  30-31
第4章康山分洪闸三维有限元计算分析  31-60
  4.1 工程地质概况  31-37
    4.1.1 康山分洪闸闸址地质条件  31-32
    4.1.2 康山分洪闸闸闸室概况  32-37
  4.2 康山分洪闸有限元计算模型  37-39
  4.3 基本荷载和计算工况  39
  4.4 成果整理与分析  39-57
    4.4.1 完建期  39-45
    4.4.2 设计水位期  45-51
    4.4.3 校核水位期  51-57
  4.5 本章小结  57-60
第5章覆盖层厚度对闸室结构的影响分析  60-72
  5.1 工程地质条件  60
  5.2 基本荷载和计算工况  60
  5.3 有元计算模型  60-62
  5.4 成果整理与分析  62-71
    5.4.1 位移成果分析  62-67
    5.4.2 应力成果分析  67-71
  5.5 本章小结  71-72
第6章闸墩厚度对闸室结构的影响分析  72-84
  6.1 工程地质条件  72
  6.2 基本荷载和计算工况  72
  6.3 有元计算模型  72-73
  6.4 成果整理与分析  73-83
    6.4.1 位移成果分析  73-78
    6.4.2 应力成果分析  78-83
  6.5 本章小结  83-84
第7章总结和展望  84-87
  7.1 论文总结  84-86
  7.2 展望  86-87
致谢  87-88
参考文献  88-90
攻读学位期间的研究成果  90

覆盖层上的水闸三维有限元静力模拟分析研究

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