基于变形等效的拱坝坝基综合变形模量自动化计算方法
【专利摘要】本发明涉及拱坝设计参数获取技术，其公开了一种基于变形等效的拱坝坝基综合变形模量自动化计算方法，解决传统技术中用人工参与建模方式带来失误率高、效率低下、检查复核困难的问题。包括：A.根据拱端位置确定模型范围，通过对比不同模型范围对拱端变位影响，按变形趋于稳定和收敛的方式进行搜索，确定综合变形模量有限元计算标准化模型；B.以综合变形模量有限元计算标准化模型为基础，通过对比不同拱端分段数对拱端变位影响，按变形趋于稳定和收敛的方式进行搜索，确定满足要求的最小拱端分段数，进行模型单元网格划分；C.采用面积加权计算方式获得模型中复合材料单元参数；D.自动化计算综合变形模量。适用于拱坝设计。
【专利说明】基于变形等效的拱坝坝基综合变形模量自动化计算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及拱坝设计参数获取技术，具体涉及一种基于变形等效的拱坝坝基综合变形模量自动化计算方法，属于水利工程拱坝设计领域。
【背景技术】
[0002]最新版《混凝土拱坝设计规范》(DL/T 5346-2006)要求对坝基综合变形模量要求采用变形等效原则进行计算，但规范未对变形等效相关原理方法进行详细说明。因此，目前在采用拱梁分载法进行拱坝结构应力分析时，除变形等效法外，坝基综合变形模量参数获取仍主要采用经验法、综合估算法进行。
[0003]经验法取值主要根据坝基岩性资料，在参考相关规程规范、行业资料、工程资料宏观上确定综合变模设计参数，主要应用在项目初步设计阶段，相关参数取值未充分考虑岩体试验情况、建基面岩体分布情况，和实际情况存在较大差距。
[0004]综合估算法则主要根据坝基各级岩体试验资料、建基面各级岩体分布情况综合估算，主要应用在项目可研及招标设计阶段，当建基面存在复杂岩体分布情况时，由于无法考虑不同变模岩体空间分布对坝基变形的影响，也无法合适的考虑基础置换、灌浆等措施的影响，和实际情况存在一定差距。
[0005]变形等效方法基本原理是变形能等效原理，即E1XU1 = E2XU2 (E1为待求的坝基综合变模,U1为实际地基变形值，E2为均值坝基变形变模，U2为为均值坝基变形值)，其基本原理和拱梁分载法半无限均质地基的Vogt假定一致。通过变形等效得到的坝基综合变形模量能较好的反映坝基空间岩体分布、坝基地形及基础处理措施，相对而言综合变模值较为准确，更接近实际情况。
[0006]目前变形等效计算时，主要采用有限元法进行计算，主要包括:确定坝基计算模型范围、单元网格划分、加载及有限元计算、对位移结果进行等效计算等流程。存在的主要问题包括:
[0007](I)不同工程项目、不同位置的坝基地形、地质情况各不相同，根据经验确定计算模型范围带有随意性，可比性不强。
[0008](2)坝基地形、地质情况千变万化，有限元计算时，若严格按照坝基岩体分布界线建立不同的有限元模型，工作量无疑是巨大的，人工参与建模失误率高、效率低下。
[0009](3)现有计算方法无成熟的设计工具供使用，各计算流程的工作方式多为人工操作，计算效率低下、检查复核困难。
【发明内容】
[0010]本发明所要解决的技术问题是:一种基于变形等效的拱坝坝基综合变形模量自动化计算方法，解决传统技术中坝基综合变形模量参数获取计算方法采用人工参与建模方式带来失误率高、效率低下、检查复核困难的问题。
[0011]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:
[0012]基于变形等效的拱坝坝基综合变形模量自动化计算方法，包括以下步骤:
[0013]A.根据拱端位置确定模型范围，通过对比不同模型范围对拱端变位影响，按变形趋于稳定和收敛的方式进行搜索，确定综合变形模量有限元计算标准化模型；
[0014]B.以综合变形模量有限元计算标准化模型为基础，通过对比不同拱端分段数对拱端变位影响，按变形趋于稳定和收敛的方式进行搜索，确定满足要求的最小拱端分段数，进行模型单元网格划分；
[0015]C.采用面积加权计算方式获得模型中复合材料单元参数；
[0016]D.自动化计算综合变形模量。
[0017]作为优化方案，步骤A中，按和拱端长度T的比例关系来控制模型范围，标准化模型范围基本要求为:拱端向上游延伸3T，向下游延伸5T，向下部延伸4T，向上部延伸2T。
[0018]作为优化方案，步骤B中，按照矩形进行模型单元网格划分。
[0019]作为优化方案，步骤B中，所述有限元计算标准化模型中拱端分段数为6。
[0020]作为优化方案，步骤D中，在进行自动化计算综合变形模量时，采用ANSYS有限元程序APDL命令流隐式调用方式后台自动进行有限元计算。
[0021]本发明的有益效果是:
[0022]1、由于本发明采用了标准化模型、标准化网格及复合材料单元，和现有手工计算流程相比，减少了建模随意性，使得有限元建模复杂性大为降低，同时有限元单元数量减少也能直接提高有限元计算处理速度，不同计算可比性增强；
[0023]2、由于本发明以标准化模型、标准化网格及复合材料单元为基础，和现有手工计算流程相比，可实现自动化计算，减少了手工计算存在的失误概率，自动化后可实现数据全面存储，检查复核方便，总体而言同时计算效率大为提高，面对大批量计算时，可有效的缩短计算周期。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为综合变形模量有限元计算标准化模型示意图；
[0025]图2为综合变形模量有限元计算标准化网格示意图。
【具体实施方式】
[0026]按照《混凝土拱坝设计规范》DL/T 5346-2006要求，对拱坝结构应力分析的基本方法为拱梁分载法，作为配套，坝基综合变形模量计算程序为拱梁分载法提供坝基综合变形模量计算参数。主要术语解释如下:
[0027](I)拱梁分载法(trial-load method):将整个拱坝离散为水平拱和悬臂梁两个系统，根据拱系和梁系交点处变位协调条件来确定拱系和梁系的荷载分配，以此进行拱坝应力计算的方法。
[0028](2)综合变形模量(comprehensive deformat1n modulus):在基础某一特定区域内，考虑各种岩体结构(含软弱结构面和条带)及基础处理措施对坝基变形的影响，将该特定区域内的非均质基础，根据变形等效的原则转换成均质基础后的变形模量。
[0029]本发明中的基于变形等效的拱坝坝基综合变形模量自动化计算方法包括以下实现方式:
[0030]1、综合变模有限元计算模型标准化:
[0031]根据半无限地基理论假定，有限元模型范围取足够大时，可以近似认为和和实际地基对拱坝结构的反应一致。有限元计算区域的拟定，主要结合拱坝坝基位置、上下游地形、地质条件及拱坝拱端推力及推力角的方向等因素来考虑。从标准化角度出发，按和拱端长度T的比例关系来控制坝基模型范围，通过对比不同模型范围对拱端变位影响，按变形趋于稳定和收敛的方式进行搜索，确定合适的模型大小范围。分析表明，标准化模型范围基本要求应为:拱端向上游延伸3T，向下游延伸5T，向下部延伸4T，向上部延伸2T，模型如图1所示。
[0032]本发明推荐按和拱端长度T的比例关系来控制坝基模型范围，模型基本形状为“凹”字形，根据半无限地基理论假定，还可以采用半圆形、梯形等样式的标准化模型，模型尺寸控制依据还可以为拱端下部基础厚度等。
[0033]2、综合变模有限元网格标准化:
[0034]根据研究，以减少网格数量、降低建模难度、提高建模效率，拟以标准模型为基础，全按矩形进行模型单元网格划分，单元尺寸为拱端长度T的l/n(n为拱端分段数)。η数值越大，模型越逼近实际地基，为减少单元数量，通过对比不同拱端分段数对拱端变位影响，按变形趋于稳定和收敛的方式进行搜索，确定满足要求的最小拱端分段数。分析表明，标准化有限元网格拱端分段数应为6。标准化网格示意如图2所示。
[0035]本发明推荐对标准模型全按矩形进行模型单元网格划分，还可以根据需要，对基础关注区域进行单元加密处理或稀疏处理，拱端分段数量还可加大，不局限于本发明推荐的数量6。
[0036]3、复合材料单元参数面积加权计算:
[0037]标准化网格模型要求采用复合单元材料参数的差异模拟地质、地形差异。复合材料单元参数很难用标准理论方式研究计算求得，但作为一种较为常用方式，可以采用面积加权方式求得。面积加权具体处理方式为:如单元跨变模分别为El、Ε2....En的多种岩体时，可求得各种岩体在该单元内面积分别为Al、Α2…..An，则该单元的面积加权单元变模Ea = (E1XA1+E2XA2+......EnXAn)/(A1+A2+......An)。
[0038]本发明推荐的复合材料单元参数面积加权计算为简单计算模式，针对多向异性材料还可分别进行加权处理，加权处理结果还可以根据需要进行比例调整。本发明除取得复合材料中各类岩体面积之外，还能获取位置信息，根据多材料分布位置采用更为细致的方法进行参数处理
[0039]4、综合变模自动化计算实现
[0040]按照标准化模型和标准化网格进行计算时，为实现自动化处理，主要进行了两部分程序开发。其一为CAD平台下的标准化建模及复合材料单元参数提取工具开发，CAD下的标准建模及标准网格划分按普通方法进行，根据岩体材料标识文字采用填充方式自动取得岩体数据，采用CAD框选、窗选集合对象过滤功能自动确认复合材料单元，采用CAD面域布尔运算交集功能实现复合材料单元内各类岩体面积自动提取。其二为VB平台下进行数据整合、有限元调用、等效计算工具开发，有限元计算采用ANSYS有限元程序APDL命令流隐式调用方式后台自动进行，计算所需输入数据准备、等效计算、数据整合则按一般要求进行。
[0041]本发明推荐采用CAD平台进行建模和复合材料各类岩体面积求取，核心是布尔运算操作求岩体和单元的交集，现有的三维设计软件、图形软件开发也能实现相似功能。本发明为提高效率，选择ANSYS有限元程序APDL命令流隐式调用方式后台自动进行有限元计算，其他商业软件或自研软件也可实现相似功能。
【权利要求】
1.基于变形等效的拱坝坝基综合变形模量自动化计算方法，其特征在于，包括以下步骤: A.根据拱端位置确定模型范围，通过对比不同模型范围对拱端变位影响，按变形趋于稳定和收敛的方式进行搜索，确定综合变形模量有限元计算标准化模型； B.以综合变形模量有限元计算标准化模型为基础，通过对比不同拱端分段数对拱端变位影响，按变形趋于稳定和收敛的方式进行搜索，确定满足要求的最小拱端分段数，进行模型单元网格划分； C.采用面积加权计算方式获得模型中复合材料单元参数； D.自动化计算综合变形模量。
2.如权利要求1所述的基于变形等效的拱坝坝基综合变形模量自动化计算方法，其特征在于，步骤A中，按和拱端长度T的比例关系来控制模型范围，标准化模型范围基本要求为:拱端向上游延伸3T，向下游延伸5T，向下部延伸4T，向上部延伸2T。
3.如权利要求1所述的基于变形等效的拱坝坝基综合变形模量自动化计算方法，其特征在于，步骤B中，按照矩形进行模型单元网格划分。
4.如权利要求1所述的基于变形等效的拱坝坝基综合变形模量自动化计算方法，其特征在于，步骤B中，所述有限元计算标准化模型中拱端分段数为6。
5.如权利要求1所述的基于变形等效的拱坝坝基综合变形模量自动化计算方法，其特征在于，步骤D中，在进行自动化计算综合变形模量时，采用ANSYS有限元程序APDL命令流隐式调用方式后台自动进行有限元计算。
【文档编号】G06F17/50GK104318030SQ201410605790
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】尹华安, 王仁坤, 胡云明, 刘翔, 张敬, 赵永刚, 邵敬东 申请人:中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司