基于ANSYS泥石流拦挡坝设计软件的开发及应用

王秀丽,李安民

(1.兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050; 2.西部土木工程防震减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州 730050)

基于ANSYS泥石流拦挡坝设计软件的开发及应用

王秀丽1,2,李安民1,2

(1.兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050; 2.西部土木工程防震减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州 730050)

为提高泥石流拦挡坝的设计水平,基于ANSYS二次开发技术编写了泥石流拦挡坝设计软件。软件使用UIDL设计菜单系统,Tcl/Tk绘制输入界面和APDL编写核心算法。软件可完成正常使用条件、冲击条件和地震条件下的坝体抗滑移、抗倾覆以及地基承载力的模拟。通过算例对比分析证明了软件的适用性,计算结果精确可靠,提高了工程师的工作效率,具有非常好的应用前景。

泥石流拦挡坝;ANSYS二次开发;APDL;UIDL;Tcl/Tk

泥石流是一种严重的自然灾害,2010年8月7日甘肃省舟曲县爆发特大泥石流,灾害造成1 501人死亡,264人失踪,直接经济损失超过10亿元[1]。为避免悲剧的重演,对泥石流及其防治进行了大量的研究,其中包括重要的泥石流防治结构泥石流拦挡坝。有学者对泥石流防治结构进行了研究[2],李珂[3]用VB和VF开发了泥石流防治结构设计软件,其中包含泥石流拦渣坝的模块。

以下对泥石流软件开发模式进行了新的探索,用二次开发技术编写泥石流拦挡坝设计软件。软件计算结果精确可靠,能大大提高设计效率且便于普通用户修改,具有适用性强的特点。并对其他工程有借鉴意义。

1 开发工具

ANSYS14.0提供的UIDL和APDL。ANSYS用户界面设计语言(UIDL,user interface design language)使用户可以自定义ANSYS的图形用户界面(GUI),包括定义GUI中的菜单、对话框和帮助文件[4]。ANSYS参数化设计语言(APDL,ansys parametric design language)是一种描述性语言,可将所有的ANSYS命令作为它的一部分使用。其具有如下特点:重复执行一条命令、宏程序、选择结构If-then-else、循环结构do-loop、标量、矢量以及矩阵运算等[5]。

Tcl/Tk:工具命令语言(Tcl,tool command language)设计的初衷是将其嵌入其他程序,这与微软的VBA(visual basic for applications)类似,就像使用VBA在一个程序中调用微软Word、Excel以及Power Point函数并与之通信一样,用户可以使用Tcl/Tk在一个程序中调用其他程序并与之通信。Tk是Tcl的延伸,提供创建和使用GUI的组件,如按钮、文本框[6,7]。

MATLAB是一种高级技术计算语言和开发工具,可以迅速地开发分析算法和应用程序[8]。

APDL和UIDL不像其他语言提供了开发环境,所以借助了第三方的文本编辑器Ultraedit,它具有强大的功能,提供了界面友好的编程工具,支持语法高亮、代码折叠、宏,以及一系列极其有用的功能。

对于Tcl语言ActiveState Software Inc.提供了开发工具:Tcl Dev Kit(TDK)。它是Tcl程序员基本的编程工具,使程序的创建、开发和配置变得容易。它集成多种工具用来简化查找和修改错误、编写复杂代码,以及优化算法的各个环节。

2 计算理论及实现方法

传统有限元求解过程为输入参数建立模型,划分网格,施加约束,并根据不同工况加载,求解,查看结果,判断是否满足要求。

本程序亦按上述过程开发,但用户却感受不到上述过程,对用户而言只需输入参数即可得到结果。

按照规范[9]最终需要的结果为:稳定性系数和地基承载力,前者包括基本条件下、冲击条件下和地震条件下的抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定系数,后者包括最大最小地基应力[9,10]。计算方法如下。

2.1 坝体稳定性验算

(1)坝体抗滑移稳定性系数 泥石流拦挡坝的抗滑移稳定性系数K1计算方法为

其中:f为坝底摩擦系数为垂直方向作用力总和(k N)为水平方向作用力总和(k N)。

定义两个数组,两个数组中的各元素分别用来表示坝底各节点的竖向和水平反力,提取坝底各个节点的竖向和水平约束反力,将其放入数组中,将两个数组中的元素分别求和,即可得到总的竖向和水平向约束反力计算并输出结果。

(2)坝体抗倾覆稳定性系数 泥石流拦挡坝的抗倾覆稳定性系数K2计算方法为

移走底部约束,仅约束角部。首先计算抗倾覆力矩,仅在坝体上作用产生抗倾覆力矩的荷载,如坝体自重、泥石流堆积物竖向压力以及背水面土压力,进行求解得到倾然后删除之前的荷载,仅施加产生倾覆力矩的荷载,如土压力、冲击力以及地震荷载,计算求解得到最后计算抗倾覆稳定系数,输出结果。

2.2 地基承载力验算

地基承载力的控制范围为

其中:σmax为地基最大应力(kPa);σmin为最小地基应力(k Pa);[σ]为修正后的地基承载力(k Pa)。

提取坝底背水面和迎水面角节点的应力σmax和σmin,用嵌套逻辑语句的判断语句进行判断,输出结果。

3 软件使用及结果对比

软件按照主菜单从上往下依次执行即可得到计算结果,用UIDL制作的主菜单,如图1所示。

图1 主菜单Fig.1 Main menu

第一步在图2所示的界面输入相关参数。

图2 参数输入界面Fig.2 Parameter input interface

第二步点击“建立模型”菜单项,程序自动按所输参数建立模型并划分网格,施加约束和荷载,如图3所示。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

第三步点击“计算”菜单项进行计算。

第四步,点击“输出结果”菜单项,显示计算结果,按照文献[9]中的2.2.2条判断是否满足要求,如采用其他规范,请自行判断是否满足要求,如图4所示。

图4 程序的结果输出Fig.4 Results outputs of the program

程序还可以清楚的看到坝体的应力和位移云图,如图5所示。

图5 位移和冯·米塞斯应力云图Fig.5 Displacements and von mises stress cloud chart

地基承载力的计算为

MATLAB的坝体稳定系数计算式为式(1)～式(2)的展开,如表1所列。

表1 程序的计算方法Table 1 Calculation method of the Program

表1中G1为坝体重(k N);G2为坝体上淤积物重(k N);E为土压力(k N);P为被动土压力(k N);E′为地震情况下的土压力(k N);GZ为综合影响系数,取1/4。

MATLAB二次开发软件的程序界面如图6所示。

图6 软件的界面Fig.6 Software interface

4 算例分析

应用软件计算甘肃省宕昌县大地沟泥石流防治工程[11]中的18座坝,代表性坝体尺寸如表2所列。

表2 拦挡坝尺寸Table 2 Size of the blocking dam

其他数据:安全等级为3或4;抗震设防烈度为8度;坝底摩擦系数0.5;浆砌块石、泥石流淤积物以及泥石流重度分别为:22.56 k N/m3、18.64 k N/m3和16.7 k N/m3;泥石流体内摩擦角为24°;地基承载力为400 kPa;冲击力为26.15～39.03 k N;冲击力作用点距坝顶距离为1 m。

每个坝算得6个稳定性系数和最大最小基底压力,结果对比如表3所列。

表3 结果对比Table 3 Comparison of the results

有限元解和解析解在安全系数方面吻合的非常好,对于基底应力,由于有限元解在坝体的坝趾和坝踵有应力集中,所以比解析解略大,软件对其乘以了小于1的系数加以处理。

5 结论

(1)经过大量试算及对比分析,证明了软件适用于传统重力式泥石流拦挡坝和新型格宾泥石流拦挡坝的设计。

(2)软件计算结果准确可靠,简化了设计过程,各种云图使工程师们更直观地看到坝体的各种设计参数。

(3)软件有很好的应用前景,值得推广应用,借助ANSYS的强大功能经过简单改进,可扩展更多坝体形式,并对其他工程有借鉴意义。

[1] 黄江成,欧国强,柳金峰.白龙江干流泥石流分布特征及危险度评价[J].人民黄河,2011,33(6):105-107.

[2] 中国水力发电工程学会.现代水利水电工程抗震防灾研究与进展[M].成都:中国水利水电出版社,2009.

[3] 李珂.泥石流防治结构计算软件开发与应用[D].重庆:重庆交通大学,2008.

[4] Ansysinc.UIDL Programmer＇s Guide[Z].Canonsburg,PA, 2005.

[5] Ansysinc.ANSYS Parametric Design Language Guide[Z].Canonsburg,PA,2013.

[6] Ousterhout J K,Jones K.Tcl and the Tk Toolkit[M].Boston: Pearson Education,2009.

[7] Wall K.Tcl and Tk Programming for the Absolute Beginner [M].Boston:Course Technology,2008.

[8] Attaways.Matlab:A Practical Introduction to Programming and Problem Solving[M].Oxford:Butterworth-Heinemann,2013.

[9] 中国地质调查局.DZ/T023-2004泥石流灾害防治工程设计规范[S].北京:中国标准出版社,2004.

[10] 吴玮江,冯乐涛.重力式泥石流拦挡坝稳定性计算[J].甘肃科学学报,2012,24(3):56-59.

[11] 刘兴荣,王生新,姚正学,等.宕昌县大地沟泥石流特征及其防治对策[J].甘肃科学学报,2011,23(2):66-70.

Development and Application of ANSYS Based Debris Flow Blocking Dam Design Software

Wang Xiuli1,2,Li Anmin1,2
(1.School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China; 2.Western Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education,Lanzhou730050,China)

In order to improve the design level of debris flow blocking dam,the ANSYS based secondary development technology has prepared the debris flow blocking dam design software.It uses UIDL to design menu system,and uses Tcl/Tk to draw input interface,and uses APDL to prepare core algorithm.The software can complete the dam body anti-sliding,antioverturning and bearing capacity of foundation soil under the normal using circumstances,shocking conditions and seismic conditions.Through the calculation examples to make comparison analysis so as to demonstrate the applicability of the software,and the software calculation result is accurate and reliable.This program has improved the efficiency of engineers with promising application prospects.

Debris flow blocking dam;ANSYS secondary development;APDL;UIDL;Tcl/Tk

TP391;TU359

:A

:1004-0366(2016)05-0056-05

2015-03-23;

:2015-06-17.

国家科技支撑计划(2011BAK12B07);国家自然科学基金项目(51278236).

王秀丽(1963-),女,辽宁沈阳人,博士,教授,博士生导师,研究方向为空间结构与钢结构.E-mail:wangxl＠lut.cn.

Wang Xiuli,Li Anmin.Development and Application of ANSYS Based Debris Flow Blocking Dam Design Software[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):56-60.[王秀丽,李安民.基于ANSYS泥石流拦挡坝设计软件的开发及应用[J].甘肃科学学报,2016,28(5):56-60.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.014.