数系科技工程方面案例建筑工程.docx

数系科技工程方面案例建筑工程.docx

《数系科技工程方面案例建筑工程.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数系科技工程方面案例建筑工程.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

数系科技工程方面案例建筑工程

数系科技工程案例（建筑）

北京数系科技有限责任公司

2008年10月1日

目录

一、土木建工2

1．塔楼－地基－基础耦合作用分析3

2、望远镜台模型和网格3

3、桥梁设计4

4、基于SIMS的某人字形屋架的静力分析6

二、岩土工程的应用7

1、索风营水电站地下厂房围岩稳定性三维有限元分析7

2、小湾拱坝三维动力学有限元计算8

3、塔里木盆地油气运移研究8

4、细观混凝土结构的损伤演变的分析8

5、通风路基温度场分析9

6、高坝建设9

7、三峡右岸厂房反分析17

8、溃坝模型计算18

三、动力损伤分析中的应用19

1、爆炸载荷作用下重力坝三维脆性动力损伤有限元分析19

一、土木建工

对于土木工程行业，其研究的领域非常广泛，不仅包含一般的建筑结构工程、桥梁工程、岩石工程，还包括对水下工程和地下工程的研究和分析。

在研究内容上也包括线性和非线性材料的静载荷分析、动力分析、振动模态分析，响应谱分析、温度场分析以及多场耦合分析等。

因此对于研究的对象，往往需要从多方面的因素考虑，进而给出正确的结果。

基于以上原因，许多土木工程师往往利用商业有限元软件，对所需研究的课题进行有限单元法分析。

从而快速准确地给出正确结果。

SIMS软件作为世界著名的大型通用工程仿真软件，以其分析功能齐全、使用操作简便和对硬件的要求低等优点，在从事设计、分析的科技工作者中享有盛誉。

SIMS软件不仅能够方便快捷地进行包括静力、动力、热传导等设计分析，帮助设计分析人员预测和检验在真实状态下的各种情况，快速、低成本地完成更安全更可靠的设计项目，而且可以有效地进行多场耦合分析。

自从SIMS软件问世以来，在土木工程领域进行了大量地卓有成效的工作。

在静态载荷和动力分析方面，SIMS主要可以进行以下分析：

在静力学分析上具有如下功能：

●线性应力分析；

●复合材料分析；

●间隙单元分析；

●复合材料和间隙单元分析；

●线性稳定性分析；

●线性动力学分析

●线性模态分析；

●复合材料模态分析；

●时间历程分析；

●响应谱分析；

●线性瞬态应力分析；

●复合材料瞬态应力分析；

●频率响应分析；

●随机振动分析；

●模态分析

非线性动力分析功能：

●非线性模态分析；

●非线性动态响应分析；

在土木工程行业，SIMS可用来实现一般结构的静力和动力分析，计算结构的整体和局部变形失稳；给出结构的固有频率和基本振型；计算各结构部件间的接触分析；梁、板、桁架组合结构的受力分析；结构在风洞、水流、运动载荷和地震波激励等动载荷作用下的响应；温度载荷或者电场作用下结构的变形和受力分析；以及多场载荷作用下结构的响应。

能很方便地计算出结构所承受的弯矩、扭矩、轴力、弯矩、扭矩、应力分布和位移，并可以自动生成结果数据报告以便最后整理和检查。

1．塔楼－地基－基础耦合作用分析

与中国建筑科学研究总院合作进行塔楼-地基-基础耦合作用的模拟，利用SIMS生成有限元程序，同时考虑了塔楼、地基、基础的相互作用，对地基沉降、地基反力、基础片筏和塔楼梁、柱的变形和内力进行了数值模拟。

其中，地基土采用有限压缩模型，考虑土的固结和超固结特性，以及在基础片筏不同位置的不均匀性。

该模拟计算可以为结构工程师的基础片筏结构设计提供指导。

塔楼-地基-基础耦合作用的模拟图

2、望远镜台模型和网格

利用SIMS系统求解望远镜台空气流动速度和粒子示踪，进而建立望远镜台模型和网格并通过SIMS软件后处理系统自动生成望远镜台空气流动速度矢量渲染图和空气流动速度矢量切片图。

从工程的角度来说很好地解决了过去经验法施工的缺陷，能够精确地描述望远镜各个角度的观赏效果，从而达到了更高的精度，提高了科学观测的水平。

望远镜台模型

望远镜台网格图

3、桥梁设计

作为最早期的工程学科之一，土木工程涵盖着极其广泛的工程知识。

从建筑、桥梁结构设计-供水系统-岩土分析，CAE技术为土木工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段，为确保结构的安全可靠设计提出了科学的依据。

作为世界范围内土木建筑行业分析软件的主流，数系科技土木行业CAE解决方案在房屋建筑、体育场馆、桥梁、大坝、硐室、隧道以及地下建筑物等工程中得到了广泛的应用。

在桥梁工业领域中所涉及到的结构和零部件通常为二维、三维实体、板壳、梁、索、杆等；所涉及到的材料也囊括了线性、非线性，金属、复合材料、有机材料、其它特殊材料等类型。

基于以上原因，许多工程师往往利用商业有限元软件，对所需研究的课题进行有限单元法分析。

从而快速准确地给出正确结果。

而SIMS强大的分析功能、直观友好的分析环境、庞大丰富的材料单元库以及优越的性价比使其成为许多桥梁机械工程师首选的分析工具。

结构体受到冲击载荷的瞬态动力分析

桥梁局部应力分析：

下图中（左上和右下）为一个桥梁枢纽可动部分（轴承座）与耳轴装配结构。

在实际桥梁的承载过程中，耳轴通常承受弯曲和剪切作用，因此对弯曲应力和剪切应力的校核非常重要。

在耳轴与轴承的接触中，轴承座认为是固定不动，分析中必须考虑到耳轴与支座之间的边界约束、支反力、接触和滑移等。

右上图为应力分析结果中节点位移的分布情况，左下图为Z轴方向的应力张量。

桥梁局部应力分析图

高速公路结构受力分析：

图1所示的为黄埔立交桥修建结构，为了确保高架公路的安全性和可靠性，桥梁工程师使用SIMS软件的静力分析功能对桥体的受力分布和局部变形进行了详细的计算和校核。

图2为在桥体上分布的后张力腱的位置，这些后张力腱通常会沿着箱形梁引起压应力。

图3为分析的网格模型，其中X为固定边界，C为对称边界。

图4则给出了通过线性静态应力分析给出的位移分布情况。

图1黄埔立交桥图2桥体上分布的后张力腱位置图

图3分析的网格模型图4位移分布图

4、基于SIMS的某人字形屋架的静力分析

用SIMS软件对一受力变形进行了有限元分析,计算了屋架的应力应变和挠度,并与理论解进行了对比,其SIMS解与理论解非常接近。

从而论证了用有限元进行结构分析的优越性。

人字形屋架的理论解和有限元解:

1、问题概述网架是一种高次超静定空间杆系结构,要完全精确分析他的内力和变形是相当复杂和困难的

2、常需要引入一些假定,忽略了一些次要因素的影响,使得计算工作得以简化。

网架杆件之间的连接可假定为铰接,且忽略节点刚度的影响,不计次应力。

人字形屋架和平行弦屋架

人字形屋架的上、下弦可以是平行的，坡度为1/20～1/10，节点构造较为统一；也可以上、下弦具有不同坡度或者下弦有一部分水平段。

多用于较大跨度。

宜采用上承式。

人字形和梯形屋架的中部高度主要取决于经济要求，一般为（1/10～1/8）L，与柱刚接的梯形屋架，端部高度一般为（1/16～1/12）L，通常取为2.0～2.5m。

与柱铰接的梯形屋架，端部高度可按跨中经济高度和上弦坡度来决定。

人字形屋架因中高度一般为2.0～2.5m，跨度大于36m时可取较大高度但不宜超过3m；端部高度一般为跨度的1/18～1/12，人字形屋架可适应不同的屋面坡度，但与柱刚接时，屋架轴线坡度大于1/7，就应视为折线横梁进行框架分析；与柱铰接时，即使采用了上承式也应考虑竖向荷载作用下折线拱的推力对柱的不利影响，设计时要求在屋面板及檩条等安装完毕后再将屋架支座焊接固定。

二、岩土工程的应用

1、索风营水电站地下厂房围岩稳定性三维有限元分析

在贵州省索风营水电站地下厂房围岩稳定性三维有限元分析中利用SIMS的前处理功能完成地下厂房及地层分布的造型，并用组合网格法进行网格剖分，成功模拟了大型地下洞室群在开挖过程中的围岩稳定性。

并利用SIMS自动生成并编制了三维的渗流场计算程序，对施工期渗流场进行了初步分析，首次提出计算渗流场自由面的死（活）结点法，该方法实践证明计算简单、效率较高。

并用来计算了正常蓄水位下的坝区稳定渗流场，考虑了地下水向岩溶管道渗漏的情况，得到较为良好的结果。

2、小湾拱坝三维动力学有限元计算

由数系科技公司与北京大学地球物理系，以及水利科学院合作完成的国家“九五”重点科技攻关项目。

由于小湾拱坝临近地震活动区，对其进行抗震分析就显得尤为重要。

在坝肩部存在着一些断层和软弱面，它们会对拱坝的稳定性产生较大的影响。

在有限元计算过程中，采用非连续体模型处理裂缝和断层。

我们使用LDDA方法模拟坝肩部的断层和软弱面，计算在地震中它们对拱坝稳定性的影响。

LDDA方法是一种较好的模拟位移不连续面的方法，它可以直接给出不连续面上的接触力，模拟不连续面的滑动和张裂。

考虑了坝体、基础、坝肩的相互作用，该程序成功地模拟了小湾拱坝在地震作用的稳定性。

3、塔里木盆地油气运移研究

该项目合作对象为中国地质科学院地质力学研究所。

盆地油气运移模拟图

4、细观混凝土结构的损伤演变的分析

混凝土高坝在强震作用下的失效，最终体现在坝体混凝土的严重开裂导致坝体破坏，大体积浇筑多级配的大坝混凝土的力学性质非常复杂，不同荷载对大坝混凝土动态强度的影响，是当前高拱坝抗震设计中最为关注和急需解决的问题。

本项目应用损伤力学方法研究细观混凝土结构的损伤演变过程。

以有限元生成系统SIMS，分别生成基于非线性损伤理论的有限元单机计算程序和并行计算程序，模拟细观混凝土结构（毫米量级）进行了大规模多工况的计算，得到了混凝土材料在不同动、静载作用下宏观强度的变化规律。

5、通风路基温度场分析

青藏铁路和公路要穿越多年冻土地区，中科院工程热物理所模拟了通风管对路基的温度变化的影响。

夏天温度分布

冬天温度分布

6、高坝建设

我国高坝建设的特点：

Ø坝高库大

Ø泄洪流量大

Ø地震烈度高

Ø地质条件复杂

Ø超大型地下洞室

泄洪流量大:

大坝名称

落差（m）

泄洪流量（m3/s）

泄洪功率（MW）

溪洛渡

小湾

二滩

193.3

230.4

166.3

50200

20700

23900

95200

46800

39000

地震烈度高:

地质条件复杂:

超大型地下洞室:

由此可以得出我国高坝工程的关键力学问题：

Ø高坝-岩基系统的的应力与稳定

Ø高坝地震动力学与抗震

Ø高坝混凝土材料

Ø高速水流与高坝消能

Ø大型地下电站厂房

Ø碾压混凝土坝与面板堆石坝

SIMS可用来实现一般结构的静力和动力分析，计算结构的整体和局部变形失稳；给出结构的固有频率和基本振型；计算各结构部件间的接触分析；钢结构和桁架结构的受力分析；结构在风洞、水流、运动载荷和地震波激励等动载荷作用下的响应；温度载荷或者电场作用下结构的变形和受力分析；以及多场载荷作用下结构的响应。

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位移信息，并可以自动生成结果数据报告以便最后整理和检查。

带横缝拱坝-地基-库水耦合系统

带横缝拱坝地震响应分析：

带横缝拱坝-无限地基耦合系统

无质量地基模型和无限地基模型的拱坝响应对比

结论：

考虑地基辐射阻尼拱坝动应力降低20％～30％

小湾拱坝横缝配筋有限元模型（35条横缝）

各条横缝最大开度中缝开度时间历程

小湾拱坝横缝配筋效果

地震中的大岗山拱坝

拱坝断裂分析：

Klnbrein拱坝-地基耦合系统

拱坝断裂分析:

非线性断裂力学模型（9.1mm）线性断裂力学模型（7.9mm）

计算开裂区域——拱冠梁截面（0.8倍水压）

带横缝拱坝的地震损伤分析:

拱坝-地基破坏仿真分析:

3D刚体弹簧元（RigidBody-SpringElementMethod）

均布荷载作用下的悬臂梁

溪落渡拱坝抗滑稳定仿真分析

7、三峡右岸厂房反分析

岩土工程三维问题反演及分析

我国大型水电工程如龙滩工程、二滩工程、龙羊峡工程及小湾工程等均遇到地下洞室围岩稳定性分析问题，为此，在“八五”“九五”期间，勘测、设计、科研及施工单位已开展了大量试验研究工作；但由于岩体结构极为复杂，断层、节理、裂隙互相切割，块体极不规则，使围岩的稳定性与洞室尺寸、岩体结构、断层和软弱夹层、地下渗流等诸多因素有关，进行准确、可靠的围岩稳定性分析成为水电建设面临的一大难题。

利用SIMS软件可以通过如下几方面进行反分析，最终能将将位移反分析与位移信息反馈动态设计向结合，有助于在岩土工程设计中发挥更大的作用。

Ø位移反分析

在反分析中，如实测到应变，并由此反演岩体参数，称之为应变反分析；由实测应力值反演初始应立场，称之为应力反分析；由实测位移反演围岩山岩压力的方法称之为位移反分析。

对于极其复杂的岩土材料来说，最易测得，也是最可靠的数据就是位移。

由于量测位移的量测系统较易建立，相对宏观的位移测值也较可靠，所以在岩土工程反分析中，根据实测位移来反演岩土工程有关计算参数的位移反分析成为岩土工程反分析的主体。

本次计算就是采用位移反分析方法。

Ø地下洞室三维非线性问题位移反分析

非线性问题反分析由于建立逆方程的困难以及待辨识参数增多，比线性问题复杂得多。

弹塑性反分析方法的研究已有相当多的论文，而工程应用的实例尚较少见。

弹塑性反分析要反演的参数包括弹性参数、初始地应力场及岩体塑性参数：

包括弹性参数E、μ,初始地应力

及塑性参数c、φ。

为使问题简化，常假定部分参数为已知。

Ø作用于支护结构上的荷载的反分析

对于大多数地下工程来说必须设置支护（衬砌）以加固和维护围岩稳定。

在这种情况下，岩体本身的应力状态并非特别重要，只要结构具有足够的安全度，工程的安全性和正常使用得到保证。

从这一观点出发，关于山岩压力（即作用于支护结构上的荷载）的反演更具有实用价值，也是设计者更关心的。

根据量测的位移反演作用于支护结构上压力的方法，因避开了关于岩体性态、岩体构造的复杂性和众多的不确定因素，而使反分析大为简化并具有较高的可信度。

由于衬砌材料的力学性态参数可由实验测定或取自有关规范，可以使反演结果更逼近于真实。

根据反分析得到的山岩压力进行支护结构的计算，就可以对结构的工作状态、安全度以及设计效果进行定量评价。

应特别强调的是，支护结构的围岩压力反演受现场量测的测点数目、设点部位、量测精度以及模型的约束条件等因素影响甚大。

同围岩相比支护结构尺寸甚小，要求有更高的量测精度和可靠性、足够的测点数目和合理布局。

三峡右岸地下电站主厂房开挖图

8、溃坝模型计算

维溃坝模型（图1）。

在0.09m*0.03m的矩形区域内，左半部分充满水，右半部分为空气，中间挡板挡住。

挡板突然移开后，求在重力的作用下水流的自由面形状。

参数：

水:

密度rou=1.0d3,黏性系数mu=1.0d-2

空气:

密度rou=1.0d0，黏性系数mu=1.0d-5

重力加速度g=9.8

图1溃坝模型求解区域

计算结果：

计算时间步t=1.0d-3.

t-=0.0st=0.025s

t=0.075st=0.1s

t=0.15st=0.2s

t=0.25s

计算时间步t在不同数值情况下的水流的自由面形状图

三、动力损伤分析中的应用

1、爆炸载荷作用下重力坝三维脆性动力损伤有限元分析

课题：

爆炸载荷作用下重力坝三维脆性动力损伤有限元分析

意义：

我国的大坝建设将长期处在一个快速发展的时期，在战争或恐怖活动中,极易成为敌人的重点攻击对象的大坝的安全评价建于地震区的大坝在强地震作用下的安全问题，综上所述，利用SIMS计算大坝在爆炸冲击载荷以及地震载荷作用下的动力损伤分析具有非常重大的工程经济和社会政治意义。

重力坝有限元模型：

重力坝及岩基的有限元分析网格模型

爆炸冲击载荷：

爆炸冲击载荷的时间历程曲线

动力方程的积分格式采用Newmark积分形式。

计算起始时间为0ms,终止时间为20ms，荷载持续时间为12ms，步长为0.5ms，计算时间步数为40。

t=10.5ms时上潮面第一主应力等值线图

上面是计算终止时刻堤坝的上潮面以及下潮面第二损伤主方向的主损伤值分布的等值线图。

由于冲击荷载压应力波在坝体上潮自由面被反射为拉应力波，因而在上潮面产生了较大的拉应力，损伤发展甚至比荷载作用面（下潮面）更加明显。

损伤值最大点的Cauchy应力随时间变化曲线

上图给出了考虑损伤发展和不考虑损伤发展两种情况下损伤值最大点的Cauchy应力随时间变化的曲线。

可以看出，考虑损伤发展时应力曲线要比不考虑损伤发展时平缓，峰值也较小，可以认为损伤发展消耗了一部分变形能。

但并不能就此得出考虑损伤发展的情形结构更为安全的结论，因为损伤材料的有效应力才能反应材料内部的真实应力状态。

结论：

结构在爆炸冲击载荷作用下损伤在很短时间内显著增长扩展。

动力响应随着损伤的增长而明显的增加,并由此又影响损伤的发展与传播。

冲击载荷的峰值和持续时间对损伤的发展和扩展有重要的影响。

当冲击荷载产生的动应力远远高于损伤发展门槛值时，材料的损伤将会急剧增加，这对结构的安全是极为不利的。

而由于冲击荷载的作用时间一般比较短，因此，损伤分布的局部效应比较明显。

爆炸冲击载荷作用下三维有限元动力损伤分析的时间步长需要取得非常短。

分析计算中，在每个时间步长上和每个高斯点都必须计算并积累损伤增量、确定损伤阻尼和损伤本构矩阵，因此，需要计算和存储的信息量非常大，这对在满足精度要求下改进算法速度提出了新的要求。