浅谈运用计算机程序编制实现大坝 ANSYS三维模型自动建立的方法

唐 兰,侯 波

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

对水电站大坝工程的计算,有限元软件已经成为必不可少的设计工具,尤其是近年来,高坝的不断出现,有限元计算已经成为必需的计算分析方法。目前,商用的大型有限元软件很多,如 ANSYS、MARC、PATRAN等,但各有特点。其中,ANSYS有限元软件是一个多用途的有限元分析程序,可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题,得到广泛应用。然而,有限元的模型建立一直都是一项耗时、耗力的工作,若以 ANSYS软件自身的前处理模块进行,不同的工程就要进行不同的实体建立、单元剖分,且单元网格密度往往不能按照我们的计算要求达到较为满意的程度,因此迫切需要编制 ANSYS软件的大坝前处理程序来自动完成这项工作,减少劳动工作量,提高工作效率。本文提出利用编程语言如 Fortran、VB等编制生成满足设计要求的三维大坝 ANSYS有限元模型的方法,根据工程的特点自动生成有限元网格、赋予单元材料属性和模型荷载的 ANSYS命令流文件。本文结合在实际工程中的初步应用经验,进行抛砖引玉,与同行进行技术交流。

2 开发前处理程序的基本思路

ANSYS有限元模型的建立有两种方法:一是先建立点、线、面、体,然后进行单元剖分、局部调整单元密度。二是直接生成节点、单元信息。前一种方法,较为繁琐,其单元不可控的因素较多。因此,本文直接采用第二种方法生成有限元网格的节点、单元信息,并对其编号,使之受控,进行材料参数赋值和荷载施加,生成单元疏密和形状满足大坝计算要求的三维模型及材料赋值、荷载施加命令流文件。

3 基本步骤

根据工程特点和计算的侧重点,采用分区的方法对模型单元进行分区规划,采用先节点后单元的方式,先生成重要的和主要的区域单元,再根据其单元分布特点进行次要区域的单元生成。基本步骤为:

(1)确立原点,建立三维整体模型的 XYZ坐标系,确立有限元分析区域。工程计算中,常按坝高来确定三维有限元网格范围,一般左、右岸各取 1.5倍坝高;上游 1倍、下游 2倍坝高;坝顶以上 0.5倍、坝基以下 1倍坝高。根据工程的重要性、特点和计算要求可进行范围的调整。

(2)大坝坝体节点、单元的建立。大坝是研究的对象,因此大坝单元是最主要和最基础的单元并作为其他区域单元建立的基准。首先,定义单元类型号和材料号。其次确定单元大小,在高程方向,结合两岸地质特点及要分析的水荷载确定分层数;横河方向和顺河方向,考虑大坝单元大小均匀变化的原则及大坝的厚度确定分层数。最后,利用上、下游坝面控制点坐标作为前处理程序的输入文件,生成大坝节点命令流文件和单元命令流文件。

(3)建基面两岸和河床范围节点、单元的建立。建基面两岸和河床范围是大坝基础受力的主要区域,因此,作为第二个单元生成区域。建基面两岸单元以大坝建基面单元为参考,向两岸和河床以下放射性地进行单元划分和编号。

(4)大坝下游基础单元的建立。在满足计算精度的条件下,为减少计算时间,网格疏密考虑单元尺寸沿顺河向可从建基面开始向下游逐渐变大,设置比例因子来自动调节单元的渐变,生成相应的节点、单元命令流文件。

(5)其他基础单元的建立。在模型模拟的范围内,其他区域因对大坝的应力、位移影响较小,可根据整体模型单元的情况建立较大单元。

(6)按照 ANSYS命令流格式,结合单元编码,生成节点水荷载、温度荷载等命令流文件。

(7)在 ANSYS命令行中输入“/input,文件路径及文件名”,逐步导入节点文件、单元文件、材料文件和荷载文件生成三维有限元计算模型。

4 实例分析

为了更好地阐明上述的建模思路,下面采用一个大坝工程的三维有限元整体模型前处理的例子加以说明。拱坝是所有坝型中体形较为复杂的,其他坝型可参考。

某水电站拱坝坝高 270m,上游计算水位高程为2520.0m,坝体混凝土的线弹性模量为 2.40×104MPa,混凝土泊松比为 0.167,容重 2.4t/m3,线胀系数 1×10-5/°C。现对该拱坝运用 ANSYS有限元计算做前处理。

(1)建立坐标原点,确定计算范围。

(2)生成拱坝节点、单元及材料参数赋值。在常规拱坝静力、动力分析计算中,精度能满足设计要求的 8节点六面体单元使用最多,因此,采用六面体单元进行大坝三维 ANSYS有限元模型建立。对于拱坝,在线弹性假定之下,坝体和坝基的接触部位,由于材料参数和模型几何参数的不连续,不可避免地会出现应力集中现象。在计算分析中,采用薄层单元可减小其影响,其厚度一般不宜大于坝高的1/20。本例考虑薄层单元列入大坝单元划分写入命令流文件。

该大坝单元沿高程方向分 9层,顺河向分 4层,薄层单元按 1/200坝高考虑,生成的模型节点和单元见图1。

节点、单元命令流文件典型内容如下:

①大坝节点文件 DamNode.txt:

②大坝单元文件 DamElement.txt:

(3)建基面两岸和河床基础范围节点、单元的建立。

不少有限元计算结果表明,在线弹性分析中,拱坝坝基采用综合变形模量的方法计算得到的拱坝位移、应力结果和实际模拟地层的计算结果相差较小。本文对河床两岸不同高程采用综合变形模量的方法建立有限元模型。对于非线性计算,近坝区的不利地质条件可能影响大坝位移、应力计算的结果需单独模拟,可参考本文的思路和方法合理规划单元划分。

图1 大坝节点和单元

图2 大坝和两岸基础的节点、单元

图3 大坝、下游和河床坝基节点、单元

图4 整体模型的节点和单元

以大坝边界单元大小为参考向两岸和河床以下放射,采用逐渐变大的方式,比例因子为 1.1,形成的节点和单元见图2。命令流文件典型内容同大坝节点、单元文件。

(4)大坝下游基础单元的建立。采用单元逐渐放大的方式,比例因子为 1.3,形成的节点和单元见图3。命令流文件典型内容同大坝节点、单元文件。

(5)其他基础单元的建立。同样采用单元逐渐放大的方式。因其重要性最低,比例因子大于上面的值,采用 1.5,最终形成的整体模型的节点和单元见图4。

(6)根据规划好的坐标系,节点、单元编号及材料编号,自动生成材料赋值、约束施加、荷载施加命令流文件,施加后的三维模型见图5。典型内容如下:

①材料赋值文件 MatValue.txt

et,1,45!大坝单元类型为 solid 45

uimp,100,ex,dens,alpx,24000000000.00,2400.00,0.00001 !大坝弹模、容重、线膨胀系数

uimp,100,nuxy,,,0.167 !大坝泊松比赋值

......!其他基础单元定义和材料赋值

②约束施加文件 RestraintJoint.txt

nsel,s,loc,x,0

nsel,a,loc,x,1580.00

d,all,ux,0!边界上 X方向法向约束

......!边界上 Y,Z方向同样法向约束定义

③节点荷载 Load.txt

bf,1,temp,-2.78 !大坝节点 1温度荷载

bf,2,temp,-2.94 !大坝节点 2温度荷载

......

图5 材料赋值、施加约束和荷载后的有限元模型

图6 典型等值线

esel,s,elem,, 1,108!单元选择

sfgrad,p res,,z,2520.00,-9810.00!水荷载施加

sfe,all,1,pres

(7)计算成果检查。根据已经建好的三维拱坝模型进行线弹性有限元计算,典型的位移、应力等值线见图6。,经与拱梁分载法计算成果比较,其分布规律和拱梁分载法吻合良好,极值差别不大,有限元计算结果可靠。

5 结 语

根据 ANSYS有限元软件的内在规定,用编程语言编制大坝ANSYS三维模型自动建立的方法和思路,能大幅节约建模时间,提高工作效率。

(1)直接进行节点、单元建立的三维模型建立方法,节点、单元可根据需要随意调整,且不易发生单元奇异,有利于后面的计算收敛,减少奇异单元检查工作。

(2)合理的单元规划很重要,根据建筑物的重要性和受力特点进行单元划分分组,并以每一组单元的交界作为单元控制面进行不同组单元的衔接,单元的疏密能满足计算的要求,单元编号有序,更易控制。

(3)前处理采用生成 ANSYS命令流文件的方式进行模型材料的赋值、约束及荷载的施加,方便、准确,且便于修改。