灯泡贯流式水电站厂房三维静动力分析(五)

摘要：国内水利水电工程建设目前正处于前所未有的蓬勃发展时期，许多低水头径流式水电站建设逐步在我国的江河上兴建，其中灯泡贯流式水电站由于流道平坦，机组过流量大、单位转速高、效率高、尺寸小、重量轻、能量及经济指标好等优.点成为目前比较普遍的一种开发型式。然而，由于灯泡贯流式水电站厂房独特的布置型式，致使应力分布有不同于常规水电站厂房的特点，特别是在高地震烈度区修建的灯泡贯流式水电站。因此，本项目的研究分析具有十分重要的现实意义。

关键词：灯泡贯流式水电站 静 动力计算分析

3厂房结构静动力分析在ANSYS上的实现

3.1 ANSYS软件介绍[77]

ANSYS是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司设计开发的大型通用有限元分析软件，是第一个通过IS09001质量认证的大型分析设计类软件，被美国机械工程师协会(ASME )、美国核安全局(NOA)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件，已在国务院十七个部委推广使用。

3.1.1 ANSYS软件简介

ANSYS软件融结构、热、流体、电、磁、声学多个领域为一体，能与多数CAD软件接口(如Pro/Engineer， NASTRAN， Alogor， I-DEAS， AutoCAD等)实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。它具备功能强大、兼容性强、使用方便和计算速度快等优点，是目前最为流行的有限元软件之一，广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制作、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业和科学研究领域，是目前世界上唯一可以进行祸合场运算的有限元分析软件。

ANSYS软件提供了不断改进的功能清单，具体包括结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分以及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能[77]。

软件基本的模块包括前处理模块(PREP7)、分析计算模块(SOLUTION)和后处理模块(POSTl和POST26 )三个部分。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行静动力学分析、非线性分析和热学分析等)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的祸合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 ANSYS构架分为两层(图3-1)，一是起始层(Begin Level)，二是处理层(Processor Level)。这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。

ANSYS软件的基本构成为:

(1)节点(Node):节点是构成有限元系统的基本对象，是整个工程系统中的最基本点，工程系统中的一个点的坐标位置。其具有物理称义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后系统的反应。

(2)单元(Element):单元是节点与节点相连而成，单元的组合由各节点相互连接。单元是构成有限元系统的基础，在具有不同特性的材料和不同的结构当中，可选用不同种类的单元，单元中包含了物理对象的各种特性，ANSYS提供了100多种不同的单元类型，合适的单元选择将可以大大提高计算精度和效率，故使用时必须慎重选择单元型号。

(3)自由度(Degree Of Freedom):自由度在ANSYS中有重要意义，可以表示工程系统受到外力后的反应结果。其不仅有整体系统的自由度，要在分析中进行适当约束，而且每个节点也有自由度，都有各自的坐标系和对应的节点自由度，并且不同单元上的节点具有不同的自由度。因此在结构分析中选择合适的单元显得尤为重要。

ANSYS软件主要技术特点有以下几个方面:

(1)唯一能实现多场祸合分析的软件;

(2)唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件;

(3)唯一具有多物理场优化功能的FEA软件;

(4)唯一具有中文界面的大型通用有限元软件；

(5)强大的非线性分析功能;

(6)多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置;

(7)支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容;

(8)强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行多种自动网格划分技术;

(9)良好的用户开发环境;

(10)支持的图形传递标准，如SAT， Parasolid， STEP;

(11)与CAD软件的接口，nigraphics， Pro/ENGINEER， I-Deas， Catia， CADDS， SolidEdge， SolidWorkso

3.1.2 ANSYS在土木工程中的应用

ANSYS在世界范围内已经成为土木建筑行业分析软件的主流，其在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育场馆、桥梁、大坝、铜室、隧道以及地下建筑物等工程中得到了广泛的应用，可以对这些结构在各种外载荷条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析，从力学计算、组合分析等方面提出了全面的解决方案，为土木工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。

ANSYS自身具有强大的实体建模技术和三维建模能力，可通过自顶向下或自底向上的方式和布尔运算、坐标变换等多种手段，建立起诸如体育场馆、桥梁、大坝等真实地反映工程结构的复杂三维几何模型。ANSYS提供了智能网格和映射网格两种基本网格划分技术和局部细分等多种网格划分工具，可完成精确的有限元模型。其还具有与CAD软件专用的数据接口，能实现与CAD软件的无缝几何模型传递，实现不同分析软件之间的模型转换，并可读取多种格式的图形标准文件。

ANSYS的计算结果不但可以直观地用图形显示出来，为定性地判断计算结果和和设计的合理性带来了极大的方便，还可以把计算结果列表的形式输出，并对结果数据进行多种计算处理，使用户定量地计算数据，准确地得出分析结论。提供了许多数据后处理工具，如数据排序、数据运算、单元表、路径结果运算、误差估计、响应谱生成、单点疲劳分析、支反力计算、时间相关数据处理、应力线性化等。ANSYS还提供有计算报告生成器，按用户选定的报告模板或用户申定义的模板生成一个图文并茂的分析报告。

软件可实现结构的静力和动力分析，计算结构的整体和局部失稳;给出结构的自振频率和振型;计算结构在水流、大风、运动车辆载荷和地震载荷等动载荷作用下的响应;结构构件与支撑部位间的接触状态;锚固钢缆、预应力钢筋、钢支撑等钢结构强度分析及其与岩土和混凝土之间的相互作用:斜拉桥、悬索桥等桥梁的钢丝束静动强度分析等等。可任意设定荷载工况，并可完成各种复杂的静、动荷载以及温度荷载工况组合，.能很方便地计算出结构所承受的弯矩、扭矩、轴力以及应力分布和变形情况，找出桥梁在各种运动车辆荷载作用下的最不利位置，ANSYS还可模拟混凝土对钢筋的握裹约束作用以及素混凝土或钢筋混凝土的压碎与开裂、收缩与徐变，大体积混凝土在温度和外力作用下裂隙的分布与扩展过程。可对各种施工过程进行模拟，如杆件的拼装过程、斜拉桥的调索过程、预应力钢筋的张拉过程、混凝土的浇筑过程;模拟地下洞室在高地应力和岩石流变作用下围岩与衬砌的相互作用，以选择最佳建造时间;模拟隧道和洞室在不同施工条件下、不同开挖顺序下，边帮及底板的回弹、错动以及高地应力区岩爆发生的过程:隧道开挖过程仿真及优化开挖顺序;爆破及地震应力波的传播及其对结构的破坏作用;大坝和道路施工过程仿真。土壤在地震等载荷作用下对结构的作用:边坡的稳定性分析;建筑物、支撑、深基、桩等的承载能力与沉陷分析;桩基与土体的祸合分析;在复杂岩基中，边坡和洞室锚固效果分析:岩土节理、裂隙、断裂、岩层等复杂地质特点的力学仿真。可对各种结构的参数和拓扑优化设计;对各种建筑物的加固与修补。此外，利用ANSYS提供的完善的、多层次的二次开发功能，以ANSYS已有程序为基础平台，可以开发出各种典型土木结构专用分析子程序、行业规范验算程序、特殊处理工具等，从而形成自身的可长期持续应用和发展的分析系统。

软件的结构分析功能包括非线性(材料非线性、几何非线性和接触非线性)、动力学(模态分析、瞬态动力分析、谐波响应分析、响应谱分析和随机振动分析)、疲劳、断裂力学及复合材料分析。其涉及结构、热、流体力学、电磁场等学科，能有效地进行各种场的线性和非线性计算及多物理场相互影响的祸合分析。如在结构计算时考虑温度的影响时，就要使用热一结构祸合。多场祸合计算是此产品的突出特色。

此外，软件还具有一些其他功能，如子模型，可以在不增加整个模型复杂性和计算量的前提下获得结构中特定区域更为准确的结果，亦可用于研究局部结构的变化情况:子结构，把部分结构等效为一个独立单元，可大大节省求解运算时间并提高建模效率:单元死活，可以用来模拟材料添加与去除过程，如山体开挖、大坝修筑、焊接问题等;优化(参数优化和拓朴优化)，用来达到用户预设的优化目标或在指定材料用量后确定结构刚度最大的拓扑形状;随机有限元，用概率统计的方法来研究多个不确定输入数据导致的输出数据的不确定性;二次开发，允许用户用APD以ANSYS参数化设计语言)、用户子程序、外部命令、UIDL(用户界面设计语言)对软件进行开发。

ANSYS对土木工程的一些热点问题有其独特的实现方法，如预应力施加及计算、施工过程模拟、空间动态载荷模拟等。

ANSYS在我国的很多大型土木工程中都立下了汗马功劳，利用ANSYS进行土木工程分析的例子不胜枚举，如:目前中国最高的建筑—88层楼的上海金茂大厦、上海浦东二十一世纪中心大厦、深圳南湖路花园大厦、国家大剧院、上海科技馆太空城、南阳体育中心体育馆、广州市新体育馆主场馆、山东潍坊富华水上娱乐中心水上皇宫、重庆市标志建筑朝天扬帆、上海新国际博览中心一期、黄河下游特大型公路斜拉桥、黄州大桥V形刚构的仿真、龙首电站大坝、九甸峡大坝、东深供水改造工程、南水北调工程、金沙江溪落渡电站、二滩电站、龙羊峡电站，三峡工程等等。此外，同济大学桥梁系用ANSYS设计分析了各种桥梁、清华大学利用ANSYS研究和设计了新型“大跨度双向拉索斜拉桥”和“大跨度双向拉索悬索桥”(己获专利)、西南交通大学土木工程学院用ANSYS模拟引水工程隧道的施工过程，武汉大学土木建筑工程学院用ANSYS研究和设计了拱坝、面板堆石坝、复杂地下洞室群、大型输水结构，并模拟了其施工力学过程。

3.2.1 水电站厂房结构静力分析[78]

静力分析计算在固定不变载荷作用下结构的响应，它不考虑惯性和阻尼影响--如结构受随时间变化载荷作用的情况。可是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力和离心力)，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷(如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷)的作用。

水电站厂房三维有限元结构静力分析主要是研究水电站厂房在自重、静水压力、发电设备自重、波浪压力、泥沙压力以及扬压力共同作用下水电站厂房结构的应力、应变和变位。ANSYS软件在计算结构静力问题时主要遵循以下流程：

3.2.2 水电站厂房结构动力分析

水电站厂房的动力分析主要研究厂房在地震、机组振动等动力荷载作用下的响应。厂房结构由于地震激发引起震动，从而使结构产生随时间变化的位移、速度、加速度、内力和变形，这种作用在短时间内完成。ANSYS中对水电站厂房动力分析主要是对其进行抗震分析，谱分析是一种有效方法[77，79]。

谱分析是一种将模态分析结果和已知谱联系起来，然后计算模型位移和应力的分析技术。在ANSYS软件中，谱分析替代时间历程分析，主要用于模型在确定荷载或随机荷载作用下，获取结构的响应情况。

反应谱代表单自由体系对历时荷载函数的响应。它是响应与自振频率的关系曲线，其中响应包括位移、速度、加速度和力。ANSYS中有两种反应谱分析：单点反应谱分析（Single Pt Resp）和多点反应谱分析(Multi Pt Resp)。其中，单点反应谱分析表示只在模型的一个点集上定义一条或一族反应谱曲线，而多点反应谱分析可以在模型的不同点集上定义不同反应谱曲线。

ANSYS软件在进行地震谱分析主要包括一下几步，流程见图3.3。

(1)创建有限元模型

通过创建点、线、面、体建立水电站厂房的实体模型，选取适当的单元类型，设置单元实常数，定义材料类型，最后通过自由或者映射剖分方法划分有限元模型。由于只有线性行为在谱分析里面是有效的，所以在选取单元是非线性单元被当作线性单元来使用。

(2)获得模态解

模态分析是一个线性分析，任何非线性分析选项，如塑性或着间隙单元，即使定义也将被忽略。在模态分析中，只可以施加零位移约束，如果在某个位置上指定了一个非零位移的约束，则程序将以零位移约束代替该约束。在未加位移约束的方向上，程序将计算刚体运动（零频）以及高阶（非零频）自由体模态。如果指定了除位移约束外的其他荷载，则这些荷载将在模态提取中被忽略。但是，程序会计算出相应于所加荷载的荷载矢量。模态的提取方法有Block Lanczos、子空间、缩减三种方法。

Block Lanczos：分块Lanczos方法。该方法采用一组特征向量来实现Lanczos迭代计算。其内部自动采用稀疏矩阵直接求解器（即使指定了求解器）。这种方法的精确程度与子空间方法一样，但速度更快。当知道系统的频率范围是，用分块Lanczos法是不错的选择。此时，程序求解高频部分的速度与求解低频部分的速度几乎一样快。

子空间（Subspace）：该方法采用子空间迭代技术，默认使用的求解器是雅可比共扼梯度求解器JCG。由于该方法采用完整的[K]和[M]矩阵，所以其计算精度很高，但是速度很慢。这种方法通常用于无法选择主自由度（MDOF）的情况，特别是对大型对称特征值求解时。

缩减法：该方法用主自由度（MDOF）来计算特征值和特征向量。主自由度方法在计算过程中尽管可以生成精确的[K]矩阵，但只能生成近似的[M]矩阵，这将导致一定的质量损失。因此，这种方法尽管速度非常快，但是精度却不是很高。其计算精度取决于主自由度的数目和位置。

(3)获得谱解

反应谱可以是位移、速度、加速度或力。除了力谱外，其他三种代表地震谱，也就是它们被假定施加在基础上。力谱可以施加在模型的任何位置。

(4)扩展模态

模态分析中，所要求的主要是频率和振形，这些内容被写到输出文件Jobname.OUT及振形文件Jobname.MODE中。但是，由于振形并没有写入到数据库或者结果文件中，因此不能对结果进行后处理，要进行后处理，还需要对模态进行扩展。

所谓扩展，就是将振形写入到结果文件中。如果想要在后处理中查看振形，必须首先将模态进行扩展。

(5)合并模态

反应谱分析首先得到的是系统各阶模态下的位移反应谱，但是，这并不代表已经求得了系统在整个模态中的响应，这些模态响应之间存在耦合，并且，由于所有模态的最大值不可能同步出现，所以，直接把各阶模态响应直接相加是不符合实际情况的。

ANSYS软件中对模态响应谱组合的方法有：CQC方法（全二次组合）、GRP方法（分组组合）、DSUM方法（双求和方法）、SRSS方法（先求平方和、再求平方根的组合方法）

(6)查看结果

在POST1中可以查看结构的变形，显示应变、应力等值线图。