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CAE仿真分析应用之岩土水利——元计算pFEPG

已有 3870 次阅读 2012-9-4 17:08 |个人分类:学习|系统分类:科研笔记| 有限元, pFEPG, 元计算, CAE仿真分析, 岩土水利

http://www.ectec.asia/hy_ytsl.asp

岩土工程专业是解决各类工程中关于岩石、土的工程技术问题的科学。虽然岩土工程计算机分析在大多数情况下只能给出定性分析结果，但岩土工程计算机分析对工程师决策是非常有意义的。开展岩土工程问题计算机分析研究是一个重要的研究方向。

岩土工程问题计算机分析范围和领域很广，随着计算机技术的发展，计算分析领域还在不断扩大。

1、复杂系统的力学变位分析，如高边坡、深基坑、隧道、大型地下洞室、堤防、桩基、码头、大坝、桁架等或其它复杂的非规则实体的变位和内力（应力、应变、拉压弯剪扭等）。

2、土木工程开挖、建筑、回填引起的地基或建筑的应力、变位、渗流、固结、沉降等变化过程仿真。

3、复杂系统的碰撞、打击(打桩)、地震、损伤、裂缝、破碎、屈曲、爆破、地震、蠕变、水击、热分析、热固耦合等高度非线性仿真计算、安全评估等。

岩土介质的力学性质非常复杂，影响其应力和变形的因素很多，例如岩土的结构、孔隙、密度、应力历史、荷载特征、孔隙水及时间效应等等，这种复杂性决定了技术人员在计算有关岩土问题时往往需要做一些针对具体问题的创新性研究或改进。

元计算核心技术pFEPG以高度开放性和广泛适应性非常适合于此类问题的计算。它可以根据用户需求，用极短的时间来解决问题（例如增加一种新的单元类型，或是增加新的材料本构模型等等），可以方便地人为控制或修改有限元计算过程中的任何一个细节或参数。而使计算不再是一个黑匣子，保证计算分析正确合理，达到预测并且指导设计施工的目的。

岩土工程领域应用案例：

1、在岩土开挖过程中的应用

在贵州省索风营水电站地下厂房围岩稳定性三维有限元分析中，利用pFEPG的前处理功能完成地下厂房及地层分布的造型，并用组合网格法进行网格剖分。

计算范围、地层河床及厂房区位置图地下厂房结构及局部地形地质展示图

洞室群结构三维有限元网格图软弱结构面f_j2、f_j5、f_j4部分网格图

通过pFEPG自动生成并编制了三维的渗流场计算程序，对施工期渗流场进行了初步分析，首次提出计算渗流场自由面的死（活）结点法，该方法实践证明计算简单、效率较高。并用来计算了正常蓄水位下的坝区稳定渗流场，考虑了地下水向岩溶管道渗漏的情况，得到较为良好的结果。

空间等水头面单位：m 岩溶管道横剖面等水头线单位：m

利用pFEPG自动生成并编制了可模拟洞室群开挖、建造与支护施工过程的大型三维弹塑性有限元计算程序，应用于索风营地下厂房洞室群开挖支护过程的稳定性弹塑性分析。

开挖结束衬砌变形示意图开挖结束厂房变形示意图

开挖结束厂房位移云纹图单位：m 开挖结束厂房围岩屈服图

2、岩石破裂与失稳中的应用

东北大学岩石破裂与失稳研究中心与公司合作，利用并行计算有限元程序自动生成系统(pFEPG)，生成基于并行计算环境的岩石破裂过程计算分析程序。

70万单元x方向位移云图 70万单元最小主应力云图

3、乌江索风营水电站地下厂房施工过程数值模拟研究
      索风营电站地下工程的勘探发现在设计的主厂房区有五条大的软弱带，施工方提出要增加大量的锚杆控制开挖变形。这意味这需要增加投资约一个亿。
      为节约投资同时又确保工程的安全，索风营电站建设公司采用数值模拟和专家论证的方式对施工方案进行重新评估，考虑软弱带的性质、考虑不同的锚固方案。
      本工程采用pFEPG软件快速建立了索风营电站地下工程围岩稳定模拟系统，对软弱夹层、锚固方式、岩石层理、开挖方式等各种方案进行了模拟，为合理设置开发方案、节约投资提供进行计算支持。pFEPG可分析地下厂房洞室群围岩体在施工过程中的稳定性，考虑原始地应力场、渗流场、地层及软弱结构面、分层开挖、喷混凝土衬砌、锚杆支护等影响围岩体稳定性的因素。

衬砌支护上的变形坝区地下水渗流分析

4、岩石破裂与失稳
岩石破裂与失稳数值模拟可以应用在隧道、矿山、地下厂房等大型工程的稳定性分析中。考虑实际三维复杂工程条件下，计算量非常巨大。东北大学岩石破裂与失稳研究中心原先开发的数值计算模拟软件需要向三维并行化发展。采用pFEPG系统，用户在短短的几个月时间完成了三维并行的开发工作，是应用pFEPG系统形成领域应用的典型案例。

5、地下水渗流对冻壁影响的数值分析
在隧道开挖过程中充分把热量带走，使隧道周围壁固结，形成冻壁，防止地下水渗流到隧道里面去，从而达到隧道壁的强化效果。通过pFEPG系统自动生成渗流、温度和相变耦合作用的计算程序进行隧道开挖过程模拟了六天的结果。

水利水电工程中的应用

水利行业作为国家大型基础建设的一部分，一直有着良好的发展势头。水利系统对水利科技的发展也愈加重视。CAE作为大型工程辅助系统一直得到广泛的应用。特别在水利设计、载荷分析、稳定性分析、坝体变型抗震分析等方面发挥着重要的作用。

水利水电工程应用案例： 1、围岩稳定性分析：

水利水电总公司和公司合作，利用pFEPG生成围岩稳定性分析系统，围岩分析中采用理想性模型模拟地下洞室开挖过程中洞壁的应力和变形，并对锚固、衬石切等工程加固措施设计了专门的单元。该软件采用Windows 风格的用户使用界面，工程技术人员只需输入必要的工程结构参数，就可很快地得到有限元计算结果。这软件包对于洞室地址选择，工程方案优化有直接的指导意义。利用该软件已应用于北京十三陵水库发电厂房的设计和云南大朝山水电站地下厂房的选址。

2、平面二维水沙运动分析

为黄河水利委员会所做模型之一，模拟了含沙水流的输沙特性以及泥沙组成调整机理，用于分析黄河弯道水流挟沙运动的过程，对于含沙量对水流影响及对河床的变形影响进行分析，对于黄河泥沙治理具有一定的科学指导作用。

水位线含沙量

河底高程

3、一维非恒定明渠流动

西北农林科技大学采用pFEPG系统模拟了水渠从水头出发以后的水位波动和流量变化情况，客观真实的反映了水流在不同时刻的波动情况。

半小时后水位波动和流量变化曲线

4、细观混凝土结构的损伤演变的分析

混凝土高坝在强震作用下的失效，最终体现在坝体混凝土的严重开裂导致坝体破坏，大体积浇筑多级配的大坝混凝土的力学性质非常复杂，不同荷载对大坝混凝土动态强度的影响，是当前高拱坝抗震设计中最为关注和急需解决的问题。

本项目应用损伤力学方法研究细观混凝土结构的损伤演变过程。以有限元生成系统pFEPG为平台，分别生成基于非线性损伤理论的有限元单机计算程序和并行计算程序，模拟细观混凝土结构（毫米量级）进行了大规模多工况的计算，得到了混凝土材料在不同动、静载作用下宏观强度的变化规律。

梁中部下缘主应力随加载变化过程(71％静载) （应力单位：Pa）

损伤区

三维随机骨料分布

5、国家“九五”重点科技公关项目小湾拱坝动力稳定性抗震分析

由于小湾拱坝临近地震活动区，对其进行抗震分析就显得尤为重要。在坝肩部存在着一些断层和软弱面，它们会对拱坝的稳定性产生较大的影响。在有限元计算过程中，采用非连续体模型处理裂缝和断层。我们使用LDDA方法模拟坝肩部的断层和软弱面，计算在地震中它们对拱坝稳定性的影响。LDDA方法是一种较好的模拟位移不连续面的方法，它可以直接给出不连续面上的接触力，模拟不连续面的滑动和张裂。考虑了坝体、基础、坝肩的相互作用，该程序成功地模拟了小湾拱坝在地震作用的稳定性。

小湾拱坝地震响应分析有限元造型

6、大岗山拱坝的地震损伤开裂分析

      我国水能资源丰富，水电是目前最有可能规模开发利用的可再生清洁能源，但我国同时是一个地震多发国家，尤其西部地区位于地中海一喜玛拉雅地震带上，地震活动频繁。高拱坝的失事可能造成灾难性的后果，因此，高拱坝的抗震安全评价是拱坝设计和建设中的关键问题。
      依托国家自然科学基金重点项目—“高拱坝地震破坏机理和大坝混凝土动态强度研究”以及国家自然科学基金重点项目 —“西部强震区高拱坝抗震功能设计的若干基础理论研究”，针对高拱坝地震作用下的大规模数值仿真，提出了宏观均质假定基础上考虑细观非均匀性影响的拱坝地震损伤破坏模型，并与振动台模型试验进行了对比。
      大岗山拱坝的地震损伤开裂分析，处理自由度超过一百万。并行计算结果与同一实体模型(有限元网格尺寸不同)的单机计算结果表明:两者得到的起裂位置、裂缝扩展以及破坏形态基本一致;但并行计算中由于采用了更小的单元网格，其破坏范围稍小，这与有限元网格不同引起的尺寸效应有关。并行计算结果相比之下更接近于振动台试验的结果。

7、溪洛渡拱坝地震动态响应
溪洛渡水电站工程规模巨大。高拱坝的结构特性及坝肩岩体的稳定性分析是拱坝设计中的首要问题之一。运用三维非线性有限元仿真计算方法，对溪洛渡坝肩岩体的稳定性开展了系统研究。拱坝坝肩岩体稳定性分析这一复杂课题，至今仍无比较完善的分析方法。“刚体极限平衡法”具有概念清晰易懂，计算简单的特点，但尚存不足之处。尤其是溪洛渡工程坝肩(基)岩体中存在较多的层间、层内错动带，以及岩体垂直、水平各向异性突出，如何客观真实地反映这些地质条件，对坝体结构特性和坝肩岩体稳定性的分析评价就显得尤为重要。

有限元法可以较准确地计算坝体应力、变形和基础变位，定量评价岩体的稳定性，还能考虑岩体的不连续性、非均匀性、应力—应变关系的非线性特性以及力学性质的各向异性。该方法不但能计算坝体及岩体的弹性变形状态，还可追踪岩体破坏状态的发展演变过程。本项目根据溪洛渡高拱坝的地形地质条件，充分模拟了左右坝肩及坝基岩体层间和层内错动带分布情况，较为真实地建立了坝体与地基相互作用的整体三维离散模型；其次，运用三维非线性有限元法和各向异性本构关系，分析了坝体及地基的应力与变位分布特征。最后，运用点强度储备安全系数法、整体超载法研究了溪洛渡拱坝坝肩在正常工况下的工作性态和超载破坏特性。