大坝ANSYS

重力坝三维仿真分析重力坝是由混凝土或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整体式由若干坝段组成。

重力坝主要为修筑水电站之用。

重力坝的荷载主要有：自重、水压力、扬压力和地震荷载水压力：作用在坝面上的静水压力可按静水力学原理计算，分为水平及垂直两个方向；溢流重力坝泄水时，由于动量守恒，溢水面上会产生动水压力。

静水水平力为==静水垂直力为==m、n为上、下游坝面坡度。

扬水力：混凝土内存在着空隙，坝基岩石本身的空隙率很小，但存在着节理裂缝，这就导致在水库蓄水后，在上、下游水位差的作用下，库水会经过坝体及坝基渗下下游，不但造成库容损失，还会引起渗透压力，使坝体的有效重量减少。

库水经坝基向下游渗透时，渗透水流沿程受到阻力，造成水头损失。

上游坝踵处的扬压力强度为γ ，下游坝址处的扬压力强度为γ 。

通常假设从坝踵到坝址呈直线变化。

图中矩形部分是下游水深 形成的上举力，即浮托力；三角形部分是由上、下游水位差形成的渗透水流产生的上举力，即渗透压力。

坝底扬压力是托浮力与渗透压力之和。

问题的描述建模步骤如下：设置文件名为Dam。

定义分析类型。

指定分析类型为Structural，程序分析方法为h-method。

!!! 定义相关变量。

h=180h1=100h2=80gm=1000 !!!水位相对密度fial=90-atan(0.75)*180/3.1415926 !计算下游斜面夹角fia2=90-fial !计算坐标旋转角度!定义单元类型及材料属性/prep7et,1,plane42et,2,solid65et,3,solid45!1号材料mp,ex,1,2.85e10 !100米以下混凝土的材料特性mp,prxy,1,0.167tb,conc,1,1,9,tbdata,,0.3,1,1.96e6,22e6 !张开剪切传递系数为0.3，抗拉强度fc=1.96e6pa，抗压强度fs=22e6pamp,dens,1,2400!2号材料mp,ex,2,2.6e10 !100米以上混凝土的材料特性mp,prxy,2,0.167tb,conc,2,1,9,tbdata,,0.3,1,1.2e6,17.5e6!张开剪切传递系数为0.3，抗拉强度fc=1.2e6pa，抗压强度fs=17.5e6pamp,dens,2,2400!3号材料mp,ex,3,2.9e10mp,prxy,3,0.3mp,dens,3,2600!建立断面模型。

先建立5个小面和1个大面，再进行布尔操作得到7个面的几何模型k,1k,2,0.9*0.75*h+0.1*hk,3,0.1*h,0.9*hk,4,,0.9*hl,1,2l,2,3l,3,4al,1,2,3,4rectng,,0.1*h,0.9*h,h !画坝顶矩形rectng,-1.5*h,0,-2*h,0 !坝基左面矩形rectng,0,0.9*0.75*h+0.1*h,-2*h,0 !坝基正下方矩形rectng,0.9*0.75*h+0.1*h,(2+0.9*0.75)*h,-2*h,0 !坝基右面矩形rectng,-1.5*h,(2+0.9*0.75)*h,-2*h,h !总矩形aplot!对断面进行布尔操作。

使用布尔操作中的重叠技术，即将分离的同等级对象(线段、面积、体积等)变为数个对象的连!续体，其中对象所有重叠边界所围成的区域都自成一个对象。

aovlap,all !将面单元进行粘贴布尔操作/pnum,line,1 !打开面，线的号码开关/pnum,area,1nummrg,allnumcmp,allaplot!对面进行网格划分!划分3号面的网格，对应于坝体的顶部lsel,s,,,3,5,2lesize,all,,,5lsel,s,,,12,13,1lesize,all,,,2amesh,3!划分1号面的网格，对应于坝体的下半部分lsel,s,,,2,4,2lesize,all,,,18lsel,s,,,1lesize,all,,,5amesh,1eplot!划分2号面的网格，对应于坝体的正下方基岩lsel,s,,,11lesize,all,,,5lsel,s,,,9,10,1lesize,all,,,8,4amesh,2!划分4号面的网格lsel,s,,,14lesize,all,,,5,4lsel,s,,,7lesize,all,,,8,4lsel,s,,,6lesize,all,,,5,0.25amesh,4eplot!划分5号面的网格lsel,s,,,15,16,1lesize,all,,,8,4lsel,s,,,8lesize,all,,,8,0.25amesh,5eplot!在对剩余部分的几何面划分网格之前，需要先将相关的部分线段组合在一起，以形成由四条边构成的四边形，然后再划分网格，完成后必须将!组合线段删除。

!连接4号线和13号线，同时划分7号面的网格lsel,s,,,4,13,9lccat,alllsel,s,,,19lesize,all,,,5,4lsel,s,,,20,21,1lesize,all,,,20amesh,7eplot!连接2号线和12号线，并划分6号面的网格lsel,s,,,2,12,10lccat,alllsel,s,,,17lesize,all,,,8,4lsel,s,,,18,22,4lesize,all,,,20amesh,6eplot!删除前面连接的线元素allsellsel,r,lccaldele,all!生成1/2体模型。

先生成坝体及坝基的半个模型，此时不将面网格删除，然后生成侧面山谷的模型，此时将面网格删除。

!拉伸成坝体单元，采用SOLID65单元和1号材料，随后改变h3以上坝体的材料属性extopt,esize,8,0 !拉伸的份数type,2mat,1vext,1,3,2,,,-0.75*h !将1号和3号面拉伸成一半的模型extopt,esize,8,0type,3mat,3vext,2,,,,,-0.75*hvext,4,5,1,,,-0.75*heplot!生成侧面岩石模型!拉伸生成大坝两侧的岩石单元allselextopt,esize,5,4extopt,aclear,1 !删除面单元type,3mat,3vext,1,7,1,,,h/pnum,mat,1eplot!利用映射技术生成整个大坝模型。

首先定义一个局部坐标系，然后切换到局部坐标系下，先将节点映射，再映射单元，最后合并所有的节点及!单元。

local,11,0,,,-0.75*h !定义局部坐标系csys,11 !激活局部坐标系/psymb,cs,1 !显示不同的局部坐标系符号dsys,11 !显示局部坐标系nsym,z,20000,allensym,30000,,20000,allnummrg,all !合并重复节点和单元numcmp,alleplot!改变100m以上坝体的材料属性为2号材料esel,s,mat,,1 !选择材料编号为1的单元nsle,s !选择单元上的节点nplotnsel,r,loc,y,h3+1,h+1 !选择h3以上的单元，以便转换材料属性nsel,r,loc,z,-0.75*h+0.1,0.75*h-0.1nplotesln,smpchg,2,all, !改变材料属性为2号材料/replotallseleplotsave,dam_model,db !保存模型文件finish!加载与求解!1、静力求解!(1)施加边界条件/solucsys,0dsys,0nsel,s,loc,x,(2+0.9*0.75)*hnsel,a,loc,x,-1.5*hnplotd,all,uxallselnsel,s,loc,z,hnsel,a,loc,z,-(1+1.5)*hnplotd,all,uzallselnsel,s,loc,y,-2*hnplotd,all,uyallselgplot!(2)施加外载。

外载包括3部分：重力、静水压力、扬压力。

在施加静水压力和扬压力时，使用梯度荷载命令。

!先选择h1高度以下的上游坝面单元为当前有效单元，然后指定梯度斜率及初始压力acel,0,9.8 !选择上游坝面单元，施加水平静水压力esel,s,type,,2eplotnsel,s,loc,x,0nsel,r,loc,z,-1.5*h+0.1,-0.1nsel,r,loc,y,0.1,h1-5!若采用(h1-0.1)将导致选择过多的单元，使得施加的面分布荷载出现负数的情况esln,snploteplot/psf,pres,norm,2,0,1 !设定将显示压力的方向sfgrad,pres,0,y,0,-gm !给定载荷梯度为-gmsfe,all,2,pres,,gm*h1/replot!选择下游坝面单元，施加水平静水压力allselesel,s,type,,2nsle,seplotlocal,12,0,0.9*0.75*h+0.1*h,,,fia2csys,12/psymb,cs,1dsys,12nsel,s,loc,y,0.1,h2/sin(0.75)-25!若采用(h2/sin(0.75)-1)将导致选择过多的单元，使得施加的面分布荷载出现负数的情况nsel,r,loc,z,-1.5*h+0.1,-0.1nsel,u,loc,x,-1000,-2esln,snploteplot/psf,pres,norm,2,0,1 !设定将显示压力的方向sfgrad,pres,0,y,0,-gm !给定载荷梯度为-gmsfe,all,4,pres,,gm*h2/replot!由于在生成整体模型时采用了映射方法，导致坝底单元的单元坐标系不同，所以对坝底施加扬压力时，需要分两部分进行。

!施加上游水位h1产生的渗透压力，同时施加下游水位h2产生的浮托力!选择第一部分坝底单元csys,0dsys,0/psymb,cs,1allselnsel,s,loc,y,0nsel,r,loc,z,-135+0.1,0.1esln,sesel,r,type,,2eplotsfcum,pres,add !设置载荷是叠加的sfe,all,5,pres,,gm*h2 !上游水位产生的渗透压力p0=gm*h1/(0.9*0.75*h+0.1*h)sfgrad,pres,0,x,0,-p0sfe,all,5,pres,,gm*h1/replot!选择第二部分坝底单元allselnsel,s,loc,y,0nsel,r,loc,z,-270+0.1,-135-0.1esln,sesel,r,type,,2eplotp0=0sfgrad,pres,0,x,0,-p0 !令斜率为0sfe,all,3,pres,,gm*h2 !下游水位产生的浮托力p0=gm*h2/(0.9*0.75*h+0.1*h)sfgrad,pres,0,x,0,-p0sfe,all,3,pres,,gm*h2nsel,s,loc,y,0esln,sesel,r,type,,2/replotsave,dam_static_solu,db!(3)静力求解allseloutres,all,allautots,onnsubst,20solvesave,dam_static_rst,dbfinish!2、反应谱分析!(1)基本的建模和位移边界条件与静力分析是一致的。