ANSYS在整体式排水圆管分析中的应用.pdf

第 3 1 卷第 3期 2 0 1 0年 6月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f No r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Co ns e r v a nc y a nd Hy d r o e l e c t r i c P o we r Vo 1 31 No ， 3 J u n 2 01 0 文章编号 ： 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 1 4 0 5 A N S Y S在整体式排水 圆管分析 中的应用 冀健 红 ，刘新 阳 ( 1 河 南省 电力勘测设计院 ， 河南 郑州 4 5 0 0 0 7 ； 2 华北水利水 电学院 ， 河 南 郑州 4 5 0 0 1 I ) 摘要 ： 基于 A N S Y S A P D L参数化设计语 言编 写程序 ， 利 用程序对整体 式排水 圆管进行数值计算 模 型中考 虑 了不同荷载 的施工方法 ， 并利用路 径映射技术实 现了各截 面的内力输 出， 从而合理 地揭示 了在 土压力 、 外 水压力和 自重 的共同作用 下整体式排水 圆管的位移 、 应力和 内力 分布规律 最后通过 工程实例 ， 验证 了程 序 的可靠性 关 键 词 ： A N S Y S ； A P D L ； 整体式排水圆管 ； 路径映射； 内力 中图分类号 ： T V 3 1 4 文献标 志码 ： A 整体式排水 圆管， 因其施工方便， 水利条件较 好 ， 在排水 泄 洪 建 筑 物 中得 到 了广 泛使 用 其 结 构形式 和荷 载分 布如 图 1 所 示 ， 单 轴对称 ， 是三次 超 静定 结构 ， 内力计 算 常采用 结 构力 学 弹 性 中心 法 求解 由于断面厚度 是变化 的 ， 用积 分法求 内力 困难 很 大 ， 通 常采 用 总和法 计 算 ， 但 其 过 程繁 琐 ， 计算 工作 量 大 文 中 采 用 A N S Y S有 限 元 分 析 软 件 ， 用 A N S Y S参数化 设计语 言 A P D L编 制 程序 ， 建 立 了， 整 体式排 水 圆管 的参 数化 计 算模 型 ， 模 型 中考 虑 了不 同荷 载的施加 方法 ， 并 利用 路 径 映射 技术 实 现 了各 截面的内力输出， 从而合理地揭示 了整体式排水 圆 管的位移 、 应力 和 内力 分布情况 珏卫旺卫田 目 V5 玑 。 口 巨 ：= j 仨 d E 目 一 目 d 口 8 巨 一 D E 书 r mt r 汁 r f 1 1 G q 4 q 1 q 1 q A K l J 图 1 整体式排水圆管结构形式及荷载分布 1 计算流程及方法 1 1有限元 网格模型 整 体 式 排水 圆 管 的有 限元 网 格 模 型如 图 2所 示 由于排水 圆管 的计 算 属 于弹性 力 学 的平 面 应变 问题 ， 采 用平 面 应变 单 元 P L A N E 8 2进 行模 拟 ， 考 虑 到 圆管 对 1 0倍 底宽 ( ) 外 的地基 影 响很 小 ， 故仅 选 取 L 。 =L ： ：1 0 L范 围内 的地基模 拟 此外 ， 为 了便 于施 加 圆管 顶部 荷载 ， 在 圆管 顶部 建 立 了表 面效 应 单元 S URF 1 5 3 图 2 整体式排水 圆管有限元网格模型 1 2施加荷 载 整 体式 排水 圆管 的荷 载 分布 如 图 1 所 示 ， 主 要 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 5 0 4 作者简介 ： 冀健红( 1 9 8 5 一 ) ， 女 ， 助理工程师 ， 硕 士， 主要从事水工结构设计方面的研究 第 3 1 卷第 3期 冀健红 ， 等 ： A N S Y S在整体式排水 圆管分析中的应用 1 5 包 括土 压力 ( 管顶 垂 直 土 压 力 q 和 侧 向土 压 力 q ， q ) 、 外 水压 力 ( 9 ， g ， g ) 、 上 层 土 及 水 对 地 基 表 面 的压 载 q 、 内水 压 力 及 结 构 自重 由 于 此 管 道 是 无 压管 道 ， 在过 水情 况下 ， 内水 压力 将 抵消 部分 作用 于 外侧 的土 、 水 压力 ， 对 结 构 有 利 ， 因此 结 构 的计 算 控 制工 况 应 为 土 压 力 、 外 水 压 力 及 结 构 自重 的 荷 载 组合 采用 5个 载荷 步 计算 ， 并 相应 创 建 了 5个 载荷 工况 第载荷工况计算管顶垂直土压力 ； 第载荷 工况计算管顶侧 向土压力 ；第载荷工况计算左 、 右侧壁土压力 ； 第载荷工况计算外水压力 和上层 土 、 水 对地基 表 面 的压 载 ； 最后 计算 排水 圆管和 地基 的 自重 对 5个载 荷 工 况 的结 果 求 和 即是 整 体 式 排 水 圆管 在所 有荷 载作 用下 的结 果 由于管 顶 的垂 直 土压 力和 侧 向土压 力都 与其 作 用 面 的 法 向 不 一 致 ， 因 此 采 用 表 面 效 应 单 元 S U R F 1 5 3来施 加荷 载 ， 荷 载 方 向 由输 人 的方 向矢 量 确 定 1 3内力计 算 路 径映 射技 术 对 于 2 D平 面实 体 单 元 ， A N S Y S直 接 输 出 的 结 果是 位 移 和 应 力 为 了 输 出截 面 内力 ， 采 用 A N S Y S 路径 映射 技术 ( Ma p p i n g R e s u l t s o n t o a P a t h ) 编 制 程 序 ， 计 算整 体式 排水 圆管各 分析 截面 的轴 力 、 剪 力 和 弯矩 ， 并 以文本 文件 的形 式输 出 ， 为整 体式 排水 圆管 的配 筋计算 提 供可 靠 的数据 路径 映射 是 基 于插 值 运 算 的一 种 后 处 理技 术 ， 能够 虚拟 映射 任何 结 果 数 据 到 模 型 的 任何 路 径 上 ， 用 户 可 以根 据需 要 设 定 各 种 路 径 ， 并 将 所 需 的结 果 映射 到路径 上 ， 然后 沿路 径进 行 必要 的数 学运算 ， 从 而得 到合理 的结 果 一一 程 序共 设定 了 l 6条路 径 ， 即 l 6个 截 面 ， 如 图 3 所 示 定义 路径 需要 起始 点和 终止 点坐 标 ， 程序 根据 整 体式 排水 圆管 的结 构 参 数 自动计 算 各 点 坐 标 ， 从 而实 现 了参 数化 定 义 路 径 ， 使 定 义 多 条路 径 的繁 琐 过 程 简化 对任 一路 径 ( 起 始 点 ， ， 终 止 点 ， ) 建 立 局 部 坐标 系 ， 如 图 4所 示 ， 并将 其 作 为 结 果 坐 标 系 ， 将 和 r 映射 到该路 径 ， 根据 材料 力学 可 知 ： = J d ， ( 1 ) Q = J T x y d x ， ( 2 ) W=f ( 一 ) d x ， ( 3 ) 式 中 ： 为 y向正 应 力 ； r 为 XY剪 应 力 ； s为 路 径 长 度 1 6 1 5 1 g 1 3 1 2 I 图 3 内力 输 出的 截 面 位 置 8 l 9兽 J 1 0 寸I 1 1 _L 图 4任 一 路 径 的 局 部 坐 标 系 根 据式 ( 1 ) 一 ( 3 ) ， 对每 条路 径 的映 射结 果进 行 数 学运 算 ， 即可求 出各 截 面 的 轴力 、 剪力 和弯 矩 以 下 是求 轴力 、 剪力 和弯 矩 的 A P D L程序 ! 建 立存放 内力 的数 组 DI M ， SUMP， TABLE， 1 6， 4 1路径 循环 ：l：DO ， J， 1， 1 6 1 建立 路径 PATH ， R1， 2， 3 0， 2 0， S E T， P1 ， N ODE( r d( J ， 1 ， 1)， r d( J ， 1 ， 2) ， r d( J ， 1 ， 3) ) ： l： S E T， P 2， N ODE( r d( J ， 2， 1) ， r d( J ， 2， 2) ， r d( J ， 2， 3) ) P PATH， 1， P1 P PATH ， 2， P 2 CS YS， 0 P VECT， NORM ， XN， YN， ZN P AGE T， Z Q， T AB L !建 立路 径局 部坐 标 系 ： l= S E T ， P 1 ， N O D E ( Z Q ( 1 ， 1 ) ， Z Q ( 1 ， 2 ) ， Z Q( 1 ， 3 ) ) S ET， P 2， NO DE( Z Q( 2 1 ， 1)， Z Q( 2 1 ， 2) ， Z Q( 2 l ， 3 ) ) S E T，P 3，NO DE( Z Q ( 1， 1) +Z Q(1 ， 5)， Z Q( 1 ， 2)+Z Q( 1 ， 6)， Z Q( 1 ， 3)+Z Q( 1 ， 7) ) CS， 1 0 0+J， 0， P1， P2， P 3 RS YS 1 0 0 +J 1 6 华北水利水电学院学报 2 0 1 0年 6 月 0 5) 0 5 ) !映射正 应力 、 剪 应力 PDEF S XY。 S， XY PDEF， S Y ， S， Y ! 路径 积分求轴 力 、 剪 力 PCAL C， I NTG ， ZL， S Y， S， 1 P C A L C， I N T G， QL， S X Y， S ， l P AGE T， Z Q1 ， T AB L ! 求 弯矩 $DI M ZL ARRAY， 21， 1 DI M ， MM 一，ARRAY ， 2 1， 1 ZL 一( 1 )= z Q 1 ( 1 ， 1 0 ) MM 一( 1 )= Z L 一 ( 1 ) ( Z Q 1 ( 1 ， 4 ) 一 Z Q 1 ( 2 l ， 4 ) S UMM =MM 一( 1 ) DO， I ， 2， 2 1， 1 I J=I一1 Z L 一( I )= Z Q 1 ( I ， 1 0 )一 Z Q 1 ( I J ， 1 0 ) MM 一( I )= Z L _ ( I ) ( Z Q 1 ( I ， 4 )一 Z Q 1 ( 2 1 ， 4 ) MI D =MM一( I ) S UMM =S UMM +MI D ENDDO S U MP( J ， 0)=J ! 轴力 S UMP ( J ， 1 )=Z Q1 ( 2 1 ， 1 0) !剪力 s u Me ( J ， 2 )=z Q 1 ( 2 1 ， 1 1 ) !弯矩 S U MP( J ， 3 )：S UMM ! 删除 ， 以备下 次循环使 用 ZL 一 = MM 一 = S I I M M = ANS Y S 1 】 0 =- 0 l l 9E -0 3 =-0 8 90 E 04 C =一0 5 93 E- 04 D =-0 2 97 E-0 4 E =O F =0 29 7E 一0 4 G=0 59 3E -0 4 H=0 8 90 E-0 4 I =O I 1 9 E一0 3 图 5 整体式排水圆管 向位移等值线图 MI D = Z Q= Z Q 1： P ADEL， AL L ： l= ENDD 2 计算实例 2 1 概 况 某贮灰场的排水泄洪建筑物采用整体式排水圆管 ( 如图 1 所示) ， 其半径 R B= 0 8 n l ， 壁厚 D B= 0 2 5 r l l ， 底板厚 D D： 0 3 m， 管顶埋深 4 0 11 1 荷载经计算得： q l：4 0 0 k Nm ，q 2=2 0 0 k Nm ，g 3=2 0 5 2 5 kN m ， q 4=21 0 7 5 k Nm， q 5=4 0 0 k Nm，g 6=41 0 5 k Nm ， q ， = 4 2 1 5 k N m， q 8 = 8 4 3 k N m， 材料 参数见 表 1 表 1相关 材 料 的力 学 参 数 将 上述结 构参 数 、 荷 载 参 数 、 材 料 参 数 输 入 程 序 ， 计算得 到整体 式 圆管 的位 移分布 应力分 布和各 分 析截 面的 内力 2 2计算 结果分 析 图 5和 图 6给出 了整体式 排水 圆管 向位 移和 y向位移 等值线 图 排水 圆管 向位 移呈对 称分 布 ， 在对 称轴 上 ， 向位 移 为 0 ； 在 侧 壁 中 部位 移 最 大 ， 从 中部 向上 、 下两 侧 ， 位 移逐 渐 减 小 ； X向位 移 最 大 为 0 1 1 9 mm， 可见排 水 圆管 的 向位 移很 小 排水 圆管 l ， 向位 移也 呈对 称 分布 ， 圆管顶 部 位移 最 大为 0 1 8 1 7 m， 底 板 中部 位移 最小为 0 1 8 1 2 1 11 ， 圆管上 方 的位移变 化规律 是 中问大 、 两侧小 ， 而底板是 两边 大 、 中间小 从计算 结 果 看 ， 排水 圆管 各部 位 间 的位 移相 差不大 ， 在毫米 数量 级 以下 ANS Y S I 】 D A = -0 l 8l 71 0 = 一O I 8I 64 2 C 一 一0 1 8 I 57 5 D = 一0 1 8 1 5 0 7 E ；_ o 1 8 1 44 0 F 一 一0 l 8 1 3 7 3 =一0 I 8 l 3 0 5 =-0 I 8l 23 8 I =-0 l 81 1 7 1 图 6整体式 排水 圆管 y向位移等值 线图 第 3 1卷第 3 期 冀健红 ， 等 ： A N S Y S在整体式排水 圆管分析 中的应用 1 7 图 7 、 图 8和 图 9给 出 了 整 体式 排 水 圆 管 向 正应力 、 l ， 向正 应 力 和 XY剪 应 力 等 值 线 图 排 水 圆 管在底 板 中部 内侧 向拉应力 最 大为 1 7 0 6 k P a ， 底 板 中部外 侧 X向压应 力最 大为 5 8 5 6 k P a ， 侧 壁 的， 向应力 较 均 匀 排 水 圆 管 的 l ， 向压 应 力 ， 在 圆 管 侧 壁 中部 内侧 最大 为 6 3 6 2 k P a ， 在 底板 中部 内侧 最 小 为 3 2 5 k P a 排 水 圆管 的 XY剪 应 力 呈 对 称 分 布 ， 在 对 称轴上 ， 剪 应 力 为 0 ； 在 圆管 上 方 ， 0=4 5 。6 O 。 ， 剪应 力最 大 为 2 1 3 1 k P a 可 以看 出 ， 底 板 中 部 和 圆 管 顶部 的 向正 应力 变 化 梯度 较 大 ， 侧 壁 中部 的 y 向正应力 变化 梯度 较大 ， 都 有应力 集 中 的现象 ANS Y S l 1 0 =一5 8 56 0 00 B = -4 91 0 0 00 C = -3 9 65 0 00 ， J = 一3 0 20 0 00 =一2 0 75 0 00 ， = 一 1 l 29 0 00 G I 8 4 1 5 6 H = 761 07 8 I =1 70 6 00 0 图 7 整体 式 排 水 圆 管 向正 应 力等 值 线 图 ANS Y S】 1 0 =一6 3 62 0 00 =一5 6 07 0 00 C = 一4 8 5 3 0 00 D = 一4 0 98 0 00 = 一3 3 44 0 00 ， = 一2 5 89 0 00 =一 1 8 3 ： 4 0 00 =一 1 0 80 0 00 ， = 一3 25 0 44 图 8整体 式排水圆管 y向正应力等值线 图 图 9整 体 式 排 水 圆管 XY剪 应 力等 值 线 图 表 2给 出 了各 分 析 截 面 的 内力分 布 整 体 式排 水 圆管 的 轴力都 是 压 力 ， 在侧 壁 较 大 ， 侧壁 端 部 ( 截 面 1 1 ) 压力 最 大 为 8 6 5 6 8 9 k N； 剪力 在 侧 壁 和 底板 都 较大 ， 其 中底 板端部 ( 截 面 1 2 ) 最 大为 5 2 5 6 5 2 k N 在 排水 圆管 上 方 ( 截 面 17 ) ， 弯 矩 由正 变 负 ， 由内 侧 受拉 逐渐 变为 外 侧受 拉 ， 在 0= 3 0 。 4 5 。 时 ， 弯矩 为 0 ， 在圆管顶部 0=0 。 ( 截 面 1 ) 时， 内拉弯矩最大 为 2 3 8 5 9 k N m， 在 0= 7 5 。 ( 截 面 6 ) 时 ， 外 拉 弯矩 最 大为 3 5 4 9 k N m； 排 水 圆管 侧 壁 ( 截 面 71 1 ) 外侧 受 拉 ， 越 往 下 ， 弯 矩 越 小 ； 在排 水 圆管 底 板 ( 截 面 l 21 6 ) ， 弯 矩 由负变 正 ， 由外 侧 受拉 逐渐 变 为 内 侧受 拉 ， 底板 中部 弯矩 最大 为 4 9 8 3 1 k N m 将上 述 计 算 结 果 与 结 构 力 学 弹 性 中 心 法 相 比 ， 发现 变化 规律 基 本 一致 ， 数值 相 差 不 大 ， 验 证 了程 序 的可靠 性 表 2整体式圆管各分析截面的受力情况 注 ： 轴 力一拉 为正 ； 剪力一指 向圆管 内侧为正 ； 弯矩一内拉 为正 3 结语 基于 A N S Y S A P D L参 数 化 设 计 语 言 编 写 了 整 体式 排水 圆管 的计 算 程 序 ， 该 程 序 输 人参 数 简 单 明 了 ， 输 出结 果方 便 直观 ， 实现 了整体 式 排水 圆管 的参 数化计 算 结合 某 贮 灰场 的整 体 式 排水 圆管 进 行 分 析 ， 计 算 结果合 理地 揭示 了整体式 排水 圆管 的位 移 、 应力 及 内力分 布规 律 ， 为整 体 式 排 水 圆管 的结 构 设 计提 供 了高效 可靠 的数 据 ， 同时 验 证 了该 计 算 程 序 的可 靠性 和通 用性 参 考 文 献 1 尾矿 设施 设计参 考资料 编写组 尾 矿设施 设计参 考 资 料 M 北 京 ： 冶 金 工 业 出版 社 ， 1 9 8 0 华北水利水电学院学报 2 0 1 0年 6月 2 李 轮 ， 宋 林 锦 结 构 力 学 M 北 京 ： 人 民交 通 出 版 社 ， 2 0 0 8 3 徐芝纶 弹性力 学简 明教程 ( 第三版 ) M 北京 ： 高 等 教育 出版社 ， 2 0 0 2 4 王新敏 A N S Y S工 程结构数值 分析 M 北 京 ： 人 民交 通 出版社 ， 2 0 0 7 5 胡 晓伦 ， 陈艾 荣 A N S Y S路径映射技术 在结 构分析中的 应用 J 交通 与计算机 ， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 8 6 8 9 6 邓 训 ， 徐 远 杰 材 料 力 学 M 武 汉 ： 武 汉 大学 出 版 社 ，2 0 c 2 App l i c a t i o n o f ANSYS a t Ana l y z i n g W ho l e Dr a i n i ng Ro u nd Pi pe J 1 J i a n h o n g ，LI U Xi n y a n g ( 1 He n a n E l e e t r ； c P o we r S u r v e y a n d De s i g n I n s t i t u t e，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7，C h i n a； 2 No r t h Ch i na I ns t i t ut e o f W a t e r Co ns e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c Po we r，Zh e n g z ho u 45 0 01 1，Chi n a Abs t r a c t ：T he pr o g r a m b a s e d o n ANSYS APDL wa s c o mp i l e d O c a l c u l a t e t he pa r a n e t e r s o f wt J l e d r a i ni n g r o un d p i p e n u me r i c a l l y，t h e d i s p l a c e me n t ，s t r e s s a nd i nt e r n a l f o r c e o f t he wh o l e d r a i ni n g r o un d p i p e un d e r t h e c o mb i ne d a c t i o n o f e a r t h p r e s s u r e，wa t e r p e s s u r e a n d g r a v i t y we r e a n a l y z e d The l o a d i n g me t h o ds we r e i n t r o d u c e d br i e f l y，a n d t h e t e c hn i q u e o f Pa t h Ma p p i n g wa s u s e d t o c o mp ut e t h e i n t e r n a l f o r c e Th e p r o g r a m wa s a pp l i e d t o a n e n g i ne e r i ng c a s e，a nd t he r e s ul t s a r e ba s i c a l l y c o ns i s t e n t wi t h t r a d i t i o n a l e l a s t i c i t y c e nt e r me t h o d o f s t r uc t u r e me c h a n i c s，S O t h e p r o g r a m i s r e l i a bl e K e y wor ds：ANS YS；APDL；who l e d r a i ni n g r o u nd pi p e； P a t h M a p p i n g；i n t e r n a l i b r e e ( 责任编辑 ： 孙垦) 0o o0 夺0 0 o0() 000 0o( oo0 o0( 0oo0夺oo00 ( 上接 第 1 3页) c 3种工况 的应力 均未超 过混凝 土和 基础抗 拉 强度 ， 变形 较小 ， 闸 室及 地 基 的位 移 、 应力 均 在安 全 范 围 内 ， 计 算 结 果 可 为 水 闸 设 计 提 供 科 学 的 理 论依 据 参 考 文 献 1 王庆 ， 郭德发 水闸地基整体结构有 限元分 析 J 中国 水 运 ( 下 半 月 )， 2 0 0 9， 9( 2 )： 1 4 91 5 1 2 蒋玉芳 ， 石 自堂 ， 韩超 万安水 闸三维有 限元分 析 J 水科学与工程技术 ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 7 6一 8 3 王勖成 有限单元法 M 北京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 3 4 岳戈， 陈权 A D I N A盅用基 础与实例详解 M 北京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 2 0 0 8 5 江苏省水利勘测设计研究 院 S L 2 6 52 0 0 1水 闸设 计规 范 s 北京 ： 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 1 6 王元汉 ， 李丽娟 ， 李银平 有 限元基础与程 序设 计 M 广 州 ： 华 南 理 工 大 学 出版 社 ， 2 0 0 1 T h r e e - d i me n s i o n a l F i n i t e El e me n t An a l y s i s o n Qi l i Ri v e r S l u i c e o f S o u t h - t o - No r t h W a t e r T r a n s f e r Pr o j e e t P ENG Ch e n g s ha n，YUAN Hu a i z h o ng，W ANG T i a n ( N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o e l e c t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h r e e d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me n t mo d e l o f Qi l i Ri v e r s l u i c e w a s s e t u p，wh i c h b a s e d o n t h e Mo r t h e r s e c t i o n e n g i n e e r i n g o f S o u t h t o - No A h Wa t e r T r a n s f e r P r o j e c t i n He b e i P r o v i n c e ， a n d t h e w h o l e s t r u c t u r e w a s a n a l y z e d b y f i n i t e e l e me n t me t h o d T h e n ，t h e r e s u hs o f s t r e s s a n d de f o r ma t i o n c a n b e o b t a i n e d， whi c h c a n pr o v i d e mo r e s c i e nt i fic t h e o r e t i c a l ba s i s f o r s l u i c e d e s i gn Ke y wor ds：s l u i c e；Fi n i t e El eme n t An a l y s i s；s t r e s s ( 责任编辑 ： 陈海涛 )