面板堆石坝有限元仿真及其应用.doc
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1、面板堆石坝有限元仿真及其应用刘忆,尚波 河海大学水利水电学院 南京(210098) E-mail:摘要:面板堆石坝经过不断的发展,已经成为非常具有竞争力的坝型。其静力分析及抗震 安全问题也成为其设计和分析中重要的研究课题。本文基于有限元仿真软件 ADINA,围绕 面板堆石坝应力和位移进行研究。关键词:面板堆石坝;非线性有限元;本构模型;静力分析1. 引言混凝土面板堆石坝(Concrete Faced Rockfil Dam ,CFRD)1是水工结构中的重要坝型之 一,常简称为面板堆石坝或面板坝。现代面板堆石坝的设计和施工在较大程度上还是依赖于 工程经验,但随着对工程材料筑坝特性以及大坝应力变形
2、模拟技术的深入研究,理论成果在 工程设计和工程运行管理中的指导作用越来越大。本文以面板堆石坝静力分析为研究方向, 利用有限元软件 ADINA 对其进行仿真数值模拟,以期得到有益的理论成果来指导工程设计。2. 面板堆石坝三维有限元仿真模型2.1 ADINA 软件概述2ADINA 的最早版本出现于 1975 年,在 K. J. Bathe 博士的带领下,由其研究小组共同 开发出 ADINA 有限元分析软件。ADINA 在计算理论和求解问题的广泛性方面处于全球领 先的地位,尤其针对结构非线性、流/固耦合等复杂问题的求解具有强大优势,被业内人士 认为是非线性有限元发展方向的先导。2.2 坝体及岩体材料
3、在 ADINA 中的模拟2.2.1 本文用到的单元类型ADINA 单元库中提供了丰富的单元类型可供建模时使用。在面板堆石坝三维有限元分 析中,主要选取三维固体单元来模拟坝体各部分及地基,又分为 8 节点、6 节点和 4 节点固 体单元如图 1 所示:图1 3-D 8 节点、6 节点和 4 节点固体单元2.2.2 本文用到的材料模型坝体材料如垫层、过渡区、主堆石和次堆石选用 Duncan Et Bt 模型,其输入参数有:CTI(1)C凝聚力;CTI(2)摩擦角;CTI(3)K加载时弹模基数;- 5 -CTI(4)n加载时弹模指数;CTI(5)Rf破坏比; CTI(6)Kb 体积模量基数; CTI
4、(7)m 体积模量指数; CTI(8)Kur 卸载时弹模基数; CTI(9)nur 卸载时弹模指数。基岩、面板及趾板材料采用线弹性材料模型,在小位移分析中,应力应变关系为:tC t e0 = 0(4-1)00式中t 工程应力;t e 工程应变;C本构矩阵,由杨氏模量 E 和泊松比 确定。2.3 接触面在 ADINA 中的模拟接触条件用来模拟二维或三维实体单元与结构单元(桁元、梁、或轴对称壳体元、板、 壳和管单元)的连接行为。三维接触面由 4 节点四边形面段构成。三角形面段可用来协调三 节点和四节点段。ADINA 中接触分析的步骤为:1)定义接触组 2)定义接触面;3)如有刚性 接触面,就要将其
5、划分网格;4)定义接触对:要生成接触模型,需定义哪一对面是接触面, 以及跟这两个面相关的摩擦系数。ADINA 提供了三种接触求解算法: 一、约束函数方法:使用约束函数在接触面节点上强行施加接触条件。这种方法只考虑了接触面节点接触的状态,对无摩擦接触的收敛速度比较好。这是程序默认算法,适用于大 多数情况。该法中,法向约束函数为:g + g 2w(g, ) =式中g 接触面间间隙; 法向接触力; N 小参数。22 + N(4-2) 切向约束函数 v u, 由下式定义: + v 2 arctan = uv = 0(4-3) T 式中 T 小参数,为 Coulomb 摩擦准则增加了弹性性质。二、段方法
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- 面板 堆石坝 有限元 仿真 及其 应用
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