会员注册 | 登录 | 微信快捷登录 支付宝快捷登录 QQ登录 微博登录 | 帮助中心 人人文库renrendoc.com美如初恋!
站内搜索 百度文库

热门搜索: 直缝焊接机 矿井提升机 循环球式转向器图纸 机器人手爪发展史 管道机器人dwg 动平衡试验台设计

水利工程论文-大型渡槽抗震分析中流体的位移有限元模式.doc水利工程论文-大型渡槽抗震分析中流体的位移有限元模式.doc -- 2 元

宽屏显示 收藏 分享

资源预览需要最新版本的Flash Player支持。
您尚未安装或版本过低,建议您

水利工程论文大型渡槽抗震分析中流体的位移有限元模式摘要利用弹性体与流体位移运动方程的相似性,将弹性体有限元模式直接用于流体有限元计算,使得整个渡槽流固耦合系统具有统一的有限元计算模式。数值计算表明,这种流体有限元模式计算简便,易于工程应用,具有较好的计算精度,满足工程计算的要求。关键词大型渡槽抗震分析流体位移有限元我国目前在建的广东省东江深圳供水改造工程建有3座大型渡槽,其设计流量为90m3/s,是目前国内在建的流量最大的渡槽,已经开工的南水北调工程将有更多的、流量更大的大型渡槽,这些大型渡槽都面临着同一个问题结构抗震,如何评估地震对渡槽结构的作用与影响,是渡槽结构设计中的重要问题。大型渡槽中水量大,流体重量与结构重量相当或甚至超过结构重量,在地震及脉动风作用下,槽内水体的大质量运动会对渡槽结构的动力特性及地震、脉动风反应产生重要影响,因此流体的作用是不可回避且必须加以考虑的问题。渡槽体系振动时,流体会伴随着结构的振动而产生晃动,反过来流体的晃动又将对结构的振动产生影响,这是一个较为复杂的流体结构相互作用问题。在渡槽抗震计算中,采用的有限元法有两类计算格式一种以流体压力或流体速度势为待求未知量1,利用流体运动方程与结构弹性体运动方程的相似性2,可得到与结构有限元格式相一致的流体有限元计算模式,但由于结构通常采用位移模式,使得结构面上位移与压力协调关系不易处理另一种有限元模式3以流体位移为待求未知量,流体与结构均为位移计算格式,流固交接边界易于处理,容易应用标准的有限元程序,适用面广,适合于复杂渡槽结构流体的相互作用问题,但位移模式待求未知量的个数多于压力模式,占用的计算机内存较多,且容易产生伪模态,当然目前的微型机内存可配得足够的大,可满足绝大多数的工程计算问题,至于伪模态可通过数值处理方法加以克服3。渡槽抗震计算一般情况要计算两个水平方向横向和纵向及一个竖直方向的地震作用,在横向与竖向,槽身结构与流体在正法向发生相互作用,这种法向相互作用对结构与流体的运动具有很大的影响,而在纵向,槽身与流体仅在切向发生相互作用,如果水体假设为理想流体无粘性,则槽身与水体之间并不传递剪力,无相互作用,事实上,水体的粘性很小,槽身与流体在交接面边界层的切向相互作用可忽略不计。只有横向水平地震、竖向地震作用下,才有必要考虑流体与结构的相互作用。本文就大型渡槽抗震分析中流体的位移有限元模式作一讨论,说明这种有限元模式在渡槽流固耦合体系整体抗震计算中的适用性,通过数值算例说明这种流体有限元模式在渡槽抗震计算中的有效性。1无粘性流体运动的位移控制方程渡槽内的流体运动为一内流问题,一般可设渡槽中水体为可压缩、无粘性、无旋的流体,水体在小幅运动下,流体运动Euler方程为1式中p为流体压力,,i表示对坐标xi的导数ρL为流体质量密度vi为流体速度分量表示对时间t的导数。2式中为流体中声波的速度,其中K为体积压缩模量。式2Einstein3式中ui为流体位移分量。由式1、式2可得4将式3代入式2,对时间t积分得5对式5求关于xi的偏导数,然后代入式1,得流体运动的位移方程为6流体运动的边界条件流体自由表面Γs上,有p0,即7在流体结构交接面上有法向位移协调条件8及法向压力协调条件9式8、式9两式中wi、σij分别为交接面上结构的位移及应力。2流体与结构运动的相似性结构弹性体的动力学方程可表为410式中wi为弹性体的位移分量Xi为体力分量Ks、G、μ和ρs分别为弹性体体积弹性模量、剪切模量、泊松比及质量密度。在式10中,若命Xi0及G0,则式10变为11比较式6、式11两式,两个方程形式完全相同,依据这种相似性,只需将弹性体参数调整为流体参数c2,则流体的位移运动方程可直接通过弹性体运动方程加以描述。3流体位移有限元模式应用上述结构与流体运动方程的相似性,流体有限元方程可直接由结构弹性体有限元5构造得到,因此现有结构弹性体标准有限元计算程序可直接用于计算流体。这样整个流固耦合系统具有统一的有限元计算格式,流体与结构交接面上的协调关系将变得易于处理。应用上述运动方程的相似性,对渡槽中流体作有限元分析时,有以下几个问题需要说明1将上述式10化为式11的过程中,用到条件G0,即流体的剪切模量为零,表明流体单元之间,以及流体单元与弹性体单元之间并不传递剪力,仅仅只传递法向压力,这一点符合理想流体无粘性的力学特征,这样流体结构交接面上的法向压力协调条件式9将自动满足。实际计算中为了保证计算的稳定性,剪切模量G不能为零,只需取一个非常小的正数,保证计算过程不溢出即可。2用于形成流体刚度矩阵的物理方程为12式12中第一个方程与式2等价,其中εbulk为流体的体应变,对于水体,其体积压缩模量可近似地取为K2.067109Paτ、γ分别表示流体的剪应力与剪应变,剪切模量可取为一个小的正数,可取GK109,流体的泊松比可近似取为μ0.5。3渡槽中流体晃动时,自由表面在重力的作用下,总是趋向于其平衡位置,为了模拟流体自由表面恢复力效应,可在自由表面上加弹簧,弹簧刚度系数的计算参见文献3。4流体质量矩阵可采用集中质量法形成。5流体运动方程是针对无粘性的理想流体得到的,对于水体而言,其粘性很小,可按无粘性的流体考虑,此时流体的阻尼矩阵为零,抗震计算偏于安全。若计算中需要考虑水体的阻尼作用时,即要考虑水体的粘性效应时,可按以下的物理方程建立流体单元的阻尼矩阵13式中表示应变对时间t的导数η为流体的粘性系数对于水体可取η0.001135kgm1s。6流固耦合交界面的处理交界面上同一位置,一般应设置两个节点,一个用于流体、另一个用于结构弹性体,交界面两个节点法向处的位移强制保持协调一致,即满足式8,而两个节点的切向位移不作约束,允许相对滑动,即为可滑动边界条件。4数值算例4.1矩形槽身以文献6中的算例为例,取矩形槽内静止水截面宽度为8.0m,高度为6.0m,槽身长度为12.0m,流体质量密度为ρL1000kg/m3,采用边界元法6,将水体假设为不可压缩的流体,得到槽内水体横向第一阶晃动频率为0.3087Hz。采用位移格式的有限元法,在纵向仅取2.0m长度的水体图1,流体的粘性系数取为零,流体体积压缩模量按实际取为K2.067109Pa,水体的边界采用滑动边界,计算得到的槽内水体横向第一阶晃动模态见图1,晃动频率为0.3041Hz,有限元与边界元的结果,相对误差仅为1.5,两者结果非常接近,注意到流体的晃动频率与其体积压缩模量的大小无关,仅与重力加速度及横截面的尺寸有关。图2表示了流体在ELCentroNS地震波作用下峰值加速度为3.417m/s2对槽身按槽身长度为12.0m计算水平剪力的时间历程,图中分别采用了两种计算方法,可以看出,有限元法与边界元法两个结果在总的时间域上相当一致,其最大反应值亦极为接近,边界元解为|Fl|max1298.0kN,有限元解为|Fl|max1311.7kN。4.2U形槽身以广东省东江深圳供水改造工程中的U型渡槽为例7,图3为流体在槽内的一阶横向晃动模态,流体结构边界采用滑动边界,有限元计算槽内水体晃动首阶频率为f0.3224Hz,边界元计算结果为f0.3413Hz,两者相当接近,相对误差为5.5。槽身长度取为12m,图4为场地人工地震波横向作用下,有限元及边界元两种方法计算得到的流体对槽身的水平地震作用时程曲线,由图4可看出,两个时程曲线相当接近,边界元法得到的最小、最大水平剪力分别为109.22kN及119.95kN有限元法得到的最小、最大水平剪力分别为115.25kN及126.01kN,反应的峰值结果也相当接近。图3U形槽内水体有限元模型及横向第一阶晃动模型图4流体对U形槽身的水平地震作用时程曲线以上计算误差的来源,除了计算模式不同导致的误差外,另一个来源是边界元法将水体假设为不可压缩,而有限元一般考虑水体为可压缩,更接近于实际情况。流体U形槽身的计算误差要大于矩形槽身的,原因是1U形槽身水体单元划分得较粗2U形槽身曲线滑动边界处理有一定的近似性。以上的计算表明,采用位移格式的有限元计算结果是可信的,满足工程抗震分析要求。作为实际应用,作者采用上述的流体有限元模型,分析了东江深圳供水改造工程中3种不同形式渡槽的地震反应,详见文献7。5结论利用弹性体与流体位移运动方程的相似性,将弹性体有限元模式直接用于流体有限元计算,使得整个流固耦合系统具有统一的有限元计算模式,抗震计算简便,易于工程应用,具有较好的计算精度,满足工程计算的要求。参考文献1EvertineGC.FiniteelementformulationsofstructuralacousticsproblemsJ.ComputerStructures,1997,653307321.2EvertineGC.StructuralanalogiesforscalarfieldproblemJ.Int.J.Numer.Meth.Engng.1981,17471476.3ChenHC,TaylorRL.VibrationanalysisoffluidsolidsystemsusingafiniteelementdisplacementformulationJ.Int.J.numer.Meth.Engng,1990,29683698.4徐芝纶.弹性力学第二版上册M.北京高等教育出版社,1985.5BatheKJ.FiniteElementProceduresM.NewJerseyPrenticeHallPress,1996.6李遇春,楼梦麟.强震下流体对渡槽槽身的作用J.水利学报,2000,34652.
编号:201312122151265329    大小:32.47KB    格式:DOC    上传时间:2013-12-12
  【编辑】
2
关 键 词:
专业文献 建筑水利 精品文档 水利工程
温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供交流平台,并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
  人人文库网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

当前资源信息

4.0
 
(2人评价)
浏览:5次
奋斗不息上传于2013-12-12

官方联系方式

客服手机:13961746681   
2:不支持迅雷下载,请使用浏览器下载   
3:不支持QQ浏览器下载,请用其他浏览器   
4:下载后的文档和图纸-无水印   
5:文档经过压缩,下载后原文更清晰   

相关资源

相关资源

相关搜索

专业文献   建筑水利   精品文档   水利工程  
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
copyright@ 2015-2017 人人文库网网站版权所有
苏ICP备12009002号-5