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拱坝边界温度研究及其瞬态应力计算分析

作　者: 王欢
导　师: 苏志敏
学　校: 昆明理工大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 库水温度 太阳辐射 有限单元法 热—结构耦合 瞬态应力场
分类号: TV642.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


拱坝是一种重要坝型,在水利水电建设中占有非常突出的地位,它以结构合理、体形优美、安全性高、经济性优越而被国内外广泛采用。由于拱坝是高次超静定结构,所以温度变化对坝体应力影响比较显著。实测资料表明,温度荷载对总体设计和拱坝总体应力的影响与自重和水压荷载的影响属同一量级,所以准确计算温度荷载对拱坝的设计尤为重要。边界温度是准确计算拱坝温度荷载的基础,尤其是上游水下部分的边界温度即库水温度。传统的库水温度预测方法如东勘院法、朱伯芳法及统计法等都是根据多座水库实测资料总结出来的经验公式,反映的是水温变化的统计性规律,而对于没有类似的已建工程的水库来说,其预测结果与实际差异较大,在应用上有一定的局限性,本文根据水库的水温混合机理,从热量平衡原理出发推导了水温分布的竖向一维数学模型,并给出了其迦辽金有限元法的解答。拱坝是一个变曲率、变厚度而边界条件又很复杂的空间壳体结构,运行期的受力状况亦很复杂。因此,计算拱坝运行期的瞬态应力,分析其最不利荷载组合,对拱坝的工程设计具有十分重要的作用。目前,拱坝的应力分析方法主要有有限单元法和拱梁分载法。有限元单法理论上比拱梁分载法完善和先进,是相对精确的一种方法。本文以有限元计算软件ANSYS10.0为平台,按照拱坝的几何方程采用布尔运算的方法来建立实体模型,用SOLID98单元(10结点空间四面体二次耦合单元,每个结点可以有X、Y、Z方向位移和温度等4个自由度,能够适应复杂的边界曲面)划分网格,形成有限元网格模型。在计算拱坝瞬态应力时,使用ANSYS软件的热—结构直接耦合法功能,施加瞬态变化的非线性温度荷载及其它约束,然后一次性求解拱坝的瞬态温度场及应力场,并校核规范规定的温升和温降工况。整篇论文总结了预测坝前水下边界温度的经验法并给出了其数学模型法的有限元解答,回顾了有限单元法分析拱坝应力的原理。利用ANSYS软件,对不同预测水温的方法进行了比较分析,最后计算了拱坝在瞬态变化的边界条件下的温度场、应力场和位移场,并对结果进行比较分析。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 绪论  8-18
  1.1 拱坝的结构特点及其发展概况  8-9
  1.2 拱坝的安全及其温度荷载  9-10
  1.3 坝前水下边界温度即库水温度估算方法介绍  10-14
  1.4 拱坝的应力分析方法  14-16
  1.5 本文研究的主要内容及目的  16-17
  1.6 本章总结  17-18
第二章 分层型水库水温的一维数学模型  18-29
  2.1 引言  18
  2.2 影响水库水温分布的因素  18-20
  2.3 水库水温分层的判别  20-21
  2.4 分层型水库水温估算的竖向一维数学模型  21-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章 混凝土拱坝温度场的有限元计算  29-43
  3.1 热传导原理  29-31
  3.2 混凝土温度场的初始条件和边界条件  31-33
  3.3 影响混凝土温度场的其他因素  33-36
  3.4 拱坝温度场计算的有限元方法  36-41
  3.5 本章小结  41-43
第四章 拱坝瞬态应力场的有限元计算  43-54
  4.1 拱梁分载法与有限单元法比较  43-44
  4.2 有限单元法发展概况  44
  4.3 有限单元法基本原理  44-51
  4.4 考虑拱坝温度荷载的计算  51-53
  4.5 本章小结  53-54
第五章 基于ANSYS的拱坝温度场应力场分析过程  54-58
  5.1 引言  54
  5.2 ANSYS软件简介  54-55
  5.3 ANSYS的热分析方法  55-56
  5.4 ANSYS的热—结构耦合分析方法  56-57
  5.5 ANSYS热—结构分析时的要点  57
  5.6 本章小结  57-58
第六章 库水温度算例分析  58-67
  6.1 基本资料  58
  6.2 不同方法计算结果比较  58-62
  6.3 水温预测成果分析  62-65
  6.4 总结和建议  65-67
第七章 拱坝瞬态应力算例分析  67-89
  7.1 基本资料  67
  7.2 材料参数及荷载  67-69
  7.3 计算过程及成果分析  69-89
第八章 结论与展望  89-92
  8.1 主要工作  89
  8.2 主要成果  89-90
  8.3 展望  90-92
致谢  92-94
参考文献  94-97
附录 硕士期间发表的论文  97

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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水利枢纽、水工建筑物 > 挡水坝 > 混凝土坝 > 拱坝
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