基于流固耦合分析下分区土石坝优化研究

发布时间：2017-10-19 21:09

  本文关键词：基于流固耦合分析下分区土石坝优化研究

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【摘要】：土石坝是坝工中重要的坝型之一。它具有就地取材、施工简单、工期短、造价低,节约大量水泥、钢材,在较差的地质条件中适应性强,安全性能好等优点,在国内外被广泛采用。目前,土石坝的设计大多采用传统的设计方法,其优化设计仍处在经验阶段,设计理论也在进一步成熟过程中。为探讨土石坝最优坝料分区方案及断面尺寸,根据正交试验设计原理,对土石坝坝体设置不同分区并制定材料配置方案,运用ANSYS对各方案进行流固耦合分析以及坝坡稳定分析,通过分析试验结果讨论坝料的配置规律,根据此规律得到最优分区方案,再对该方案进行坝体断面尺寸优化设计,在满足坝体安全及结构设计要求的前提下,得到既能够充分发挥坝料作用又可以节省工程造价的最终优化方案,主要工作内容如下:(1)通过ANSYS建立土石坝二维有限元模型,并编译相应的APDL命令流对其进行二维渗流—应力场耦合分析,在耦合分析基础上通过强度折减法对二维土石坝模型进行坝坡稳定分析,从而获得土石坝模型的渗流量、逸出点位置以及边坡稳定系数等数据,为后续优化过程提供数据基础。(2)针对某土石坝工程,考虑对坝体进行分区且各分区采用相同或不同坝体材料,根据正交实验法,设置不同分区及坝体材料配置方案。针对各方案进行二维渗流-应力场耦合分析以及坝坡稳定分析,通过分析结果对坝料分区方案进行优化设计研究,选择既可以满足坝体应力变形要求,保证渗流稳定要求,也可以节省工程造价的方案,从而达到合理配置各个分区土质材料以及安全经济的目的。(3)土石坝的断面优化设计,则是在分区优化结果以及断面初步设计方案的基础上,按规范要求及某一特定目标根据土石坝的结构特点和受力情况,建立优化模型,在结构性态分析的基础上,应用ANSYS优化模块对上述断面进行优化,从而探讨坝体最优的结构尺寸,建立结构优化设计数学模型并从一系列的可能方案中自动搜索出最安全可靠、经济合理的断面形式。有利于节省人才物力,提高设计水平。优化结果表明,坝体两侧和坝底区域配置强度高的材料,坝体中心区域配置防渗性能好的材料,坝体靠近下游侧区域配置透水性好的材料,由此规律得到的优化分区方案较传统坝型能够更充分地发挥坝体材料防渗和抗滑稳定作用。该方法克服了以往依赖经验给出分区的设计缺陷,对今后土石坝设计提供了新的思路。
【关键词】：土石坝 流固耦合分析 正交试验设计 坝料分区 优化设计
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV641
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究目的和意义10-11
• 1.2 国内外发展历史与现状11-14
• 1.2.1 土石坝渗流场与应力场的耦合研究11-13
• 1.2.2 坝体结构优化设计研究13-14
• 1.3 本文主要研究内容及技术路线14-17
• 1.3.1 研究内容14-15
• 1.3.2 技术路线15-17
• 1.4 本章小结17-18
• 第二章 土石坝流固耦合分析研究18-29
• 2.1 渗流场对应力场的影响机理18
• 2.2 应力场对渗流场的影响机理18-19
• 2.3 渗流场与应力场耦合分析的连续介质模型19-20
• 2.4 双场耦合分析的有限元方法及步骤20-21
• 2.5 耦合分析在ANSYS中的实现21-24
• 2.5.1 渗流计算的ANSYS模拟21-22
• 2.5.2 应力计算的ANSYS模拟22-23
• 2.5.3 耦合方程迭代步骤23-24
• 2.6 算例24-28
• 2.7 本章结论28-29
• 第三章 基于强度折减法土石坝边坡稳定研究29-34
• 3.1 强度折减法的理论背景29-30
• 3.2 屈服准则和流动法则30
• 3.3 坝坡临界破坏评价标准30-31
• 3.4 强度折减法在ANSYS中的实现31-32
• 3.5 算例32-33
• 3.6 本章结论33-34
• 第四章 基于正交试验土石坝分区优化研究34-53
• 4.1 正交试验的原理及特点34
• 4.2 正交试验设计方法34-35
• 4.3 正交试验结果分析方法35
• 4.3.1 极差分析法35
• 4.3.2 方差分析法35
• 4.4 正交试验设计方法在土石坝分区优化中的应用35-52
• 4.4.1 算例分析36-37
• 4.4.2 坝料配置设计方案的正交试验安排37-38
• 4.4.3 各试验方案渗流-应力场耦合计算与边坡稳定计算38-46
• 4.4.4 正交试验结果分析46-51
• 4.4.5 最终分区结果51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第五章 土石坝断面尺寸优化53-65
• 5.1 优化设计的基本概念53-54
• 5.1.1 设计变量、目标函数、约束条件53-54
• 5.1.2 结构优化设计的数学模型54
• 5.2 优化算法54
• 5.3 土石坝断面优化设计54-56
• 5.4 算例56-64
• 5.4.1 断面优化数学模型57-59
• 5.4.2 ANSYS优化过程59-62
• 5.4.3 ANSYS优化成果62-64
• 5.5 本章小结64-65
• 第六章 结论及展望65-67
• 6.1 结论65-66
• 6.2 展望66-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-71
• 作者简介71

【参考文献】

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1 孙德胜;高心墙堆石坝坝料分区优化研究[D];大连理工大学;2007年

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本文编号：1063327