营运状态下泥石流排导结构的振动特性研究

发布时间：2017-07-19 03:08

  本文关键词：营运状态下泥石流排导结构的振动特性研究

  更多相关文章： 振动特性 数值模拟 流固耦合 排导结构 泥石流

【摘要】：泥石流是山区常见的地质灾害之一,排导结构是中小型泥石流的主要防治措施之一。本文以川藏公路某段泥石流沟的顶越式排导结构为研究对象,基于ANSYS Workbench平台,综合运用ANSYS CFX和ANSYS Transient Structural软件对排导结构内不同流量工况下的泥石流进行了流场分析,并将得到的流场分析结果导入到排导结构瞬态动力响应分析,初步得到了泥石流运动状态下排导结构的振动特性,并对排导结构设计提出了优化建议。主要有以下结论:(1)通过设置12.5m~3/s、25m~3/s、37.5m~3/s、50m~3/s和62.5m~3/s的五种不同流量工况的流场数值模拟计算,得到了泥石流动荷载的大小、分布变化规律,结果表明,最大荷载均出现在排导结构的排导结构进口段的槽底部位,随着泥石流流量的增加,荷载大小也随着增加。在槽内达到满流时(工况五)时,荷载达到最大,为0.364MPa。随着流量的增加,泥石流流场内的最大流速也随之增加,且增长趋势比较稳定。(2)通过不同流量工况的瞬态动力数值模拟分析计算,得到了泥石流对排导结构的动力响应变化规律。随着流量的增加,排导结构的振动位移随之增加,上部槽体结构振动位移的最大值位于渡槽中部槽底区域,下部排架结构振动位移的最大值位于纵梁的中间区域,工况五时最大,可达11.8mm。随着流量的增加,排导结构的最大主应力也随之增加,槽底出现明显的应力集中区域,是设计时需要特别注意的危险截面。在不同工况下,随着流量的增加,排导结构的最大弯矩也随之增加,主要集中在排架纵梁和中柱、边柱的交界处,是设计时应该特别注意的危险截面。(3)通过对数值模拟所获取的振动位移、振动速度和加速度数据进行了时频分析,结果表明结构主要在纵向(长轴)方向发生往返振动,设计水位工况下该方向上结构受流体荷载作用振动时的速度变化和加速度变化的主频率约为7Hz。(4)基于数值模拟分析计算结果,得到了排导结构的薄弱部位和危险截面,并对实际工程提出了对结构承受最大动荷载区域可以通过铺设钢轨抗冲刷层提高抗磨蚀能力,通过增大混凝土标号提高承载能力;对结构最大变形区域可以采取增加截面刚度等方式抵抗变形等优化建议。
【关键词】：振动特性 数值模拟 流固耦合 排导结构 泥石流
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P642.23
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 国内外研究现状11-17
• 1.2.1 泥石流排导结构研究现状11-16
• 1.2.2 泥石流及流固耦合数值模拟研究现状16-17
• 1.3 本文研究内容及技术路线17-21
• 1.3.1 研究内容17-19
• 1.3.2 技术路线19-21
• 第二章 泥石流排导结构数值模拟模型建立及网格划分21-33
• 2.1 工程概况21-22
• 2.2 泥石流排导结构数值模拟模型建立与工况设置22-28
• 2.2.1 软件选择22-25
• 2.2.2 几何建模25-27
• 2.2.3 工况设置27-28
• 2.3 泥石流排导结构数值模拟模型网格划分28-30
• 2.4 本章小结30-33
• 第三章 排导结构泥石流流场数值模拟分析33-69
• 3.1 计算流体力学控制方程33-35
• 3.1.1 质量守恒方程33
• 3.1.2 动量守恒方程33-34
• 3.1.3 能量守恒方程34-35
• 3.2 计算流体力学模拟方法35-39
• 3.2.1 三维紊流基本方程及模型35-38
• 3.2.2 两相流模拟方法38-39
• 3.3 初始条件及模拟参数设置39-43
• 3.4 计算结果及分析43-68
• 3.4.1 不同工况下的动荷载分布43-46
• 3.4.2 不同工况下的流场分布46-50
• 3.4.3 典型工况（工况四）流场分析50-68
• 3.5 本章小结68-69
• 第四章 泥石流排导结构瞬态动力数值模拟分析69-119
• 4.1 瞬态动力分析基础69-70
• 4.2 时间步长的选择70-71
• 4.3 求解前的设置71
• 4.4 计算结果及分析71-110
• 4.4.1 不同工况下的振动位移分析71-76
• 4.4.2 不同工况下的主应力分析76-80
• 4.4.3 不同工况下的弯矩分析80-85
• 4.4.4 典型工况（工况四）的结构分析85-110
• 4.5 结构振动时频分析110-116
• 4.5.1 傅立叶变换110-111
• 4.5.2 窗口傅立叶变换111
• 4.5.3 时频分析结果111-116
• 4.6 泥石流排导结构优化建议116-118
• 4.6.1 泥石流排导结构设计存在的普遍问题116
• 4.6.2 对动荷载最大区域进行优化分析116-117
• 4.6.3 对最大振动位移处进行优化分析117
• 4.6.4 对最大弯矩处优化分析117-118
• 4.7 本章小结118-119
• 第五章 结论与展望119-121
• 5.1 结论119
• 5.2 展望119-121
• 致谢121-123
• 参考文献123-126

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