资源描述
本科生课程实践报告
《基于ANSYS的某水电站溢洪道的工程有限元分析》
课程名称
工程的数学模拟与分析
指导教师
谢红强
分组号
NO. 002
姓名
学院
班级
学号
陈书桂
水电学院
07306013
0743062045
张良
水电学院
07306013
0743062166
何潇
水电学院
07306013
0743062158
窦维博
水电学院
07306013
0743062152
吴勇
水电学院
07306013
0743062164
史楚科
水电学院
07306013
0743062
四川大学水利水电学院
2009年12月8日
基于ANSYS的某水电站溢洪道工程有限元分析
摘 要：以某水电站溢洪道断面作为模型研究对象，对可能出现的不利因素进行研究，应用ANSYS的数值模拟对其进行工况、设计水位及校核水位下溢洪道的稳定性、应力及应变的计算分析，并进行溢洪道的安全及稳定性评价；得到溢洪道施工及运行工况下可能出现的不利因素进行研究。总结得出溢洪道的应力分布规律。探究影响溢洪道稳定性安全的不利因素，提出合理的施工解决方案，用以降低水体局部应力，从而保证溢洪道施工及运行的安全。
关键词：水工结构；稳定性；数值模拟（Ansys）；溢洪道
Finite Element Analysis of Spillway Project Based on ANSYS Code
Abstract：The numerical simulation was applied to make an analysis for spillway ，in order to study as a model of possible adverse factors research, application of numerical simulation of ANSYS them working condition, design water level, and checking its stability under water stress and strain analysis and for spillway security and stability of the evaluations; be spillway construction and operation of the disadvantages that might arise study. To explore the negative impact of spillway stability safety factors, Find some effective solutions to reduce the water partial stress, in order to ensure the safety of spillway construction and operation.。
Keywords： hydraulic structure；stability；numerical simulation; spillway
1 前言
溢洪道作为水利建筑物的防洪设备，直接关系着建筑物河下游河道的安全，对其的稳定性分析以及相关的防险加固技术,一直是水工方面的研究重点。 研究的关键在于得到溢洪道各关键部位的应力应变大小。矩形断面溢洪道在设计当中最为常见。由于传统力学计算的局限性，已不能满足各种复杂工况下的计算。计算机技术的飞速发展使得对多种工况下应力应变的数值求解成为可能。
数值模拟技术，在各种水利工程的设计、施工中得到广泛应用。在溢洪道计算中，对边坡及过流形体的相关模拟也取得了较大的研究罗永钦 罗永钦; 张绍春; 苏华英 岸边溢洪道过流体形的数值模拟分析 中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院;贵州电力 2009.
等对溢洪道过流体型的数值研究，臧海燕
臧海燕 鱼塘水电站溢洪道闸室三维有限元计算分析研究 灾害与防治工程 2005
3 蒋松云 溢洪道施工技术措施分析 宜兴市水利工程有限公司 江苏宜兴 214207
4 向 衍, 马福恒, 袁 辉 某水库溢洪道垮塌成因分析 南京水利科学研究院 2007
5 彭囡，彭丽萍 溢洪道除险加固设计中存在的问题及解决方案 萍乡市水利水电勘察设计院 2008
对溢洪道闸室的稳定性分析等。不同的数值模拟的方法均在溢洪道数值模拟中有所应用，并取得了一定成果。本文研究的目的是希望借助最为常用的Ansys模拟软件对溢洪道过流截面进行有关应力应变的分析研究。
2 溢洪道有限元模型
该模型取溢洪道泄槽处断面为研究面（如下图）。为平面应变问题，可利用Ansys的二维plane42单元进行相关模拟。溢洪道由混泥土衬砌，设为各向同性，弹性模量为E=2.64e10，泊松比为μ=0.167，度为2410Kg/m³
2.1 计算范围的选
2.2 有限元建模过程
取溢洪道底部中点为原点，依图建立个特征点，设立点（5，4）（5，5）便于施加荷载。同时为划分网格时相对方便，可由点生成线，再由线生成相应四边形的面。由于该模型为混泥土衬砌的单一混泥土材料，无需指定各截面材料类型，直接对模型进行网格划分。采用矩形，影射划分，并根据平面相关尺寸设定划分分数如下图。溢洪道底部采用全约束。
2.3 计算工况及荷载组合
本模型不用考虑溢洪道边坡稳定，共有三种应力工况：完建工况，设计水位下工况以及校核水位工况。
完建工况下仅承受混泥土自重，无外荷载作用。施加重力加速度g=9.8后进入完建工况直接求解。
溢洪道处于正常运行即设计水位运行时，溢洪道承受高为3m的静水压力以及混泥土自重。进ANSYS求解器，设水容重为9800Kg/m³施加方向为y，起点y坐标为4.以压力形式施加于点，框选泄槽内个受力点。以箭头形式显示如下。
溢洪道处于正常运行即设计水位运行时，承受高为4m的静水压力和混泥土自重如以上法设计y坐为5m施加压力如下图三。求解计算。
3 计算成果分析
3.1 完建工况下有限元分析成果
3.1.1 位移场分布规律
跟据计算得到结果，在完工状态下，由于仅受混泥土自重的作用侧墙存在偏心作用，侧墙有微小的向内倾斜变形，变形最大量出现在侧墙顶端，为0.386mm。整体作用较为安全。而溢洪道底部由于自重作用而产生微小下沉，但变形量很小，可忽略不计。
图表 1 位移 图表 1 x方向应力场
3.1.2 应力场分布规律
完建工况下无论x或y方向的应力场，最大压应力均出现在泄槽。X方向最大压应力为0.33Mpa，Y方向最大压应力1.67Mpa。而对于拉应力X方向为0.178Mpa；Y方向为0.0036Mpa，忽略不计。不考虑剪应力与压应力，仅考虑是否受拉破坏，SMX均小于强度保证值1Mpa，即此时溢洪道虽承受拉应力破坏，但总体拉应力值处于安全范围内，结构总体稳定。
图表 3 y方向应力
3.2 设计水位工况下有限元分析成果
3.2.1位移场分布规律
设计水位下运行时，溢洪道承受向外的水压力。单纯水压力作用应变大于混泥土自重作用使侧槽向外倾斜，形成应变场如图，最大应变出现在侧槽上沿，为0.002mm。
应变场 x方向应力场
3.2.2 应力场分布规律
完建工况下无论x或y方向的应力场，最大压应力均出现在泄槽。X方向最大压应力为0.38Mpa，Y方向最大压应力2.27Mpa。而对于拉应力X方向为0.75Mpa；Y方向为0.012Mpa，忽略不计。不考虑剪应力与压应力，仅考虑是否受拉破坏，SMX均小于强度保证值1Mpa，即此时溢洪道虽承受拉应力破坏，但总体拉应力值处于安全范围内，结构总体稳定。
图表 3 y方向应力
3.3 校核水位工况下有限元分析成果
3.3.1位移场分布规律
校核水位下运行时，溢洪道承受高为4m的向外水压力，水压力作用使侧槽向外倾斜，减去自重作用引起的变形，形成应变场如图，最大应变仍出现在侧槽上沿，为0.109mm。
应变场 x方向应力场
3.3.2 应力场分布规律
完建工况下无论x或y方向的应力场，最大压应力均出现在泄槽。X方向最大压应力为0.63Mpa，Y方向最大压应力3.77Mpa。而对于拉应力X方向为1.69Mpa；Y方向为1.74Mpa，仅考虑是否受拉破坏下，SMX均大于强度保证值1Mpa，即此时溢洪道虽承受拉应力破坏，整体处于失稳状态。
图表 3 y方向应力
4 结论及建议
运用ANSYS有限元分析的方法溢洪道结构关键部位的应力分布规律与变形特点进行了详尽的描述 ,充分体现了有限元在水工结构分析中的优势和地位。对坝体结构的应力和应变的分析 ,推求了整体结构的稳定性 ,其规律和实际情况符合得较好。
三种工况状态下，变形最大处均位于溢洪道侧槽最上沿，符合一般的应力变形规律。最大拉应力或压应力均出现在底槽与侧墙交界处。压应力一般以y方向为主。完工工况和设计水位下运行时，溢洪道所受拉应力均在设计最大拉应力（1Mp）内，处于安全状态下运行，无需考虑整体的失稳。
在校核水位下运行时，拉应力超过设计值。工程存在安全隐患，需对工程进行相应的加固处理。
一，在保证能通过最大泄水流量下，改变溢洪道过流断面几何尺寸。适当降低侧墙的高度，降低水压力作用。为保证过流提高底槽宽度。增加侧墙厚度，提高混泥土自重作用，以抵消部分水压力。
二，对侧墙进行锚固。如溢洪道边坡岩体稳定，对侧墙用锚筋连接入岩体，减小变形，降低应力作用。
5参考文献
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