基于ANSYS的双曲拱坝参数化建模技术研究

    王倩

    

    

    

    摘 要：拱坝属空间壳体结构，其几何形状、边界条件和应力状态都比较复杂，因此，工程实际计算中需精细化有限元模型为基础进行坝体应力变形分析，本文结合双曲拱坝的拱圈及拱冠梁几何参数，采用ANSYS软件，通过APDL参数化语言编程，实现了点、线、面、体的自下而上的双曲拱坝模型的精细化建立，在实际工程优化方案时显示了较高的效率。

    关键词：双曲拱坝;参数化;三维模型

    1 绪论

    拱坝作为三大坝型之一，因其几何形状、边界条件及应力状态都比较复杂[1]，拱坝应力分析时，除了采用拱梁分载法进行计算外，还应进行线弹性有限元分析，对于高拱坝和情况复杂的拱坝，必要时可采用非线性有限元法进行分析[2];而面对仿真技术日趋成熟的发展，在进行有限元分析时，势必在精度和可靠度方面有了更加严格的要求[3];并且随着拱坝技术的发展，拱坝体形越来越多樣化、复杂化，拱坝建模和划分网格的难度也在日趋加大，因此通过ANSYS中的APDL参数化语言编程[4]，从而可实现点、线、面、体的自下而上的双曲拱坝模型的精细化建立，以达到计算时高效、精准、可靠的目标。

    2 双曲拱坝参数化建模

    双曲拱坝参数化建模包括以下流程：

    （1）确定拦河坝主要尺寸及坝体体形参数，包括拱圈数、拱圈高程、上下游拱圈半径、左右中心角等，根据以上尺寸和参数计算关键点坐标。

    （2）利用循环命令建立各层拱圈的关键点。

    （3）根据各拱圈关键点形成各层拱圈。

    （4）建立拱坝整体几何模型。通过拱圈利用蒙皮技术形成面，结合左右岸、顶面和底面，形成拱坝坝体三维模型。

    （5）以拱坝坝肩为基准延伸1.5倍坝高，再结合底面，向上下游及底部各延伸1.5倍坝高，生成拱坝坝基岩体。

    （6）建立溢流堰的细部结构。

    双曲拱坝APDL建模流程图见图1。

    3 工程实例

    3.1 工程概况

    本文以某双曲拱坝为例，进行了参数化精细建模。该坝坝顶高程140.0m，最大坝高45.0m，坝顶厚度为3.7m，坝底拱冠梁处厚度为11.5m，拦河坝由非溢流坝段和溢流坝段组成，非溢流坝段位于大坝的两端，全长143m;溢流坝段全长66m。溢流坝堰顶高程137.0m，为开敞式实用堰，溢流堰共12孔，每孔净宽5.0m，中墩厚0.5m。拦河坝主要尺寸表见下表。

    3.2 参数化建模

    4 结语

    本文通过采用参数化编程实现了双曲拱坝三维建模，在工程实际应用中达到了高效的目标，尤其在工程早期阶段的坝体体形优化过程中，可方便快捷地对多方案进行精确修改，为下一步的坝体应力变形分析提供了可靠的基础及支持。

    参考文献：

    [1]王海娟.基于ANSYS的拱坝等效应力分析及考虑施工加载过程对坝体应力的影响研究[D].西北农林科技大学，2010.

    [2]陆忠民，等.混凝土拱坝设计规范[M].北京：中国水利水电出版社，2018.

    [3]徐镇凯，吴欢强，马连军.基于AutoCAD与ANSYS建立双曲拱坝三维计算模型方法分析[J].南昌大学学报（工科版），2009（3）：260-263.

    [4]高长银，等.ANSYS参数化编程命令与实例详解[M].北京：机械工业出版社，2015.