（水工结构工程专业论文）碾压混凝土坝温度场温度应力计算可视化系统研究.pdf

碾压混凝土坝温度场和温度应力计算 可视化系统研究 碾压混凝土筑坝是坝工建设的新发展，迫切需要在碾压混凝土坝的温度场和温度应 力方面进行深入的研究。国家“九五”科技攻关项目，通过对龙滩水电站碾压混凝 土坝在施工期和运行期的温度场及温度应力的仿真分析，较为系统地研究了各种因素影 响下碾压混凝土坝施工期和运行期的温度场及温度应力的分布规律，并在n d pf o r t r a n 下开发了三维有限元计算程序。该程序采用网格自动浮动和分区异步长法，具有较高的 计算效率。但该程序的图形功能弱且被限制在d o s 环境下运行，在缺少人机交互手段的 情况下，繁杂的手工数据输入，给程序使用带来了许多不便，也难以管理输出的计算结 果。 本文主要对温度场和温度应力计算分析进行可视化系统研究。内容包括：前处理、 分析计算、后处理、帮助系统。程序实现模块化，各模块之间用数据文件和数据库相结 合的方式传递信息。涉及的开发工具有：v i s u a lb a s i c6 0 、f o r t r a np o w e r s t a t i o n4 0 、 i t l m lh e l pw o r k s h o p 等。其中前处理由界面输入初始数据( 例如：控制数据、施工信 息、材料参数) ，即可生成计算和绘图信息文件。在计算过程中，程序将以进度栏对话 框的方式提示用户程序运行所处的阶段后处理主要有数据查询、图形显示( 各时段的 温度和应力的等值线图、随时间变化的曲线图) 和信息编辑( 计算文本说明) 。帮助系 统设计为程序的操作提供方便。该系统的实现不仅大大地减少了准备数据的工作量，更 直观地反映计算结果，并且使操作更简便。在碾压混凝土坝的施工过程中，工程人员可 根据施工环境因素的变化，更改各种施工参数，将其输入到计算机中，该程序即可进行 实时计算并反映出由此引起的坝体温度场和温度应力场的变化达到施工温控最优化的 目的，为现场工程人员提供可资应用的依据，为温控工作提供很大的便利。 t h es t u d yo fav i s u a l i z a t i o ns y s t e mf o r t e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ls t r e s s e sa n a l y s iso f r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a m a b s t r a c t at h o r o u g hs t u d yo ft e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ls t r e s so fr o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a m ( r c c d ) h i g h l yu e e d s s i n c eb t i i l d i n gd a mw i t hr o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ei sal l e wt e c h n o l o g yi nd a m c o n s t r u c t i o n i nt h ef i n i s h e dp a p e r * h i c hi sc o n n e c t e d w i t ht h en a t i o n a lk e yt a s k ，t h e d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ea n dt h e m a ls t r e s so fr 0 c dd u r i n gc o n s t r u c t i o na n dp e r f o r m a n c e p e r i o di ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db ym e a n so ft h er e a l i s t i c a l l ya n a l y s i so ft e m p e r a t u r ea n d t h e r m a ls t r e s so fr c c do fl o n gt a ni l y d r o e l e c t r i cs t a t i o n h er e l e v a n tc o m p u t i n go r o g r f u aw il h 3 df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f 咖i sd e v e l o p e dw i t hn d pf o r t r a n o nt h eb a s i so f 3 df i n i t ee l e m e n t f l o a t i n gm e s hn l e t h o d ，am e t h o dt h a tu s ed i f f e r e n tt i m ei n c r e m e n t si nd i f f e r e n tr e g i o nw h e n s o l v i n ge q u a t i o n si sb d o p t e d ，w h i c hm a k e st h ep r o g r a mg e tah i g he f f i c i e n c y * h e nr u n n i n g b u tt h ep r o g r a mi sr e s t r i c t e dt o se n v i r o m e n tw i t hp o o rg r a p hf u n c t i o n t h eu s eo ft h e p r o g r a mi si n c o n v e n i e n t s i n c et h e r ea r ed i f f i c u l t i e si nd a t ai n p u t t i n ga n do u t p u td a t a o r g a n i z i n gu n d e rw e a km a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n i nt h i sa r t i c l e t h ev i s u a l i z a t i o ns y s t e mf o rt e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ls t r e s sa n a l y s i s o f r c c di ss t u d i e d t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e sp r e p r o c e s s i n ga n dp o s t p r o e e s s l n go f 删p r o g r a m c o m p u t i n gp a r ta n dh e l p i n gs y s t e n tt h ew h o l ep r o g r a mi sc o m p o s e do fm o d u l e sa m o n gw h i c h d a t a b a s e sa n dd a t af i l e sa r eu s e dt ot r a n s f e ri n f o r m a t i o n a st ot h ed e v e l o p i n gt o o l s ，v i s u m b a s i c6 0 ，f o r t r a np o w e r s t a t i o n4 0a n dh n 儿h e l pw e r k s h o pa r ei n v o l v e d i nt h ep r e p r o c e s s i n g ， t h ed i c t a t e dd a t aa r ei n p u tt h r o u g hu s e ri n t e r f a c e ，t h e nt h ed a t af i l e st h a ta r en e e d e di n c o m p u t i n ga n dd r a w i n ga r ea v a i l 曲l ei m m e d i a t e l y d u r i n gc o m p u t i n g p r e e e s s h a r d i a l o gb o xis u s e dt oi n f o r mu s e rt h er u n n i n gs t a t e s a n dt h ep o s t p r o c e s s i n gc h i e f l yi n c l u d e sd a t ai n q u i r e ， g r a p hs h o w i n go fr e s u l t ( c o n t o u ra n dv a r i a t i o nc h a r to ft e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ls t r e s si e d i f f e r e n tp e r i o d ) a n di n f o r m a t i o ne d i t i n g t h es y s t a mn o to n l yr e d u c e sw o r k l o a dg r e a t i ya n d s h o w st h er e s u l td i r e c t l y ，b u ta l s om a k e st h eo p e r a t i o nm o r es i m p l y i nr c c dc o n s t r u c t i o n ， t h et e c h n i c i a nc 肌c h a n g ea n yc o n s t r u c t i o np a r o m e t e ra c c o r d i n gt of a c t o rv a r i a t i o ni n c o n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n t a f t e rt h en e wp a r a m e t e rv a l u ei sf e e di n t oc o m p u t e r ，t h er e s u l t t h a tr e f l e c t st h ed i f f e r e n c e so ft e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ls t r e s sb e t w e e nt h eo l dp a r a m e t e r a n dt h en e wo n ei so b t a i n e d s ot h es y s t e me s i lh e l po p t i m i z i n gt e m p e r a t u r e c o n t r o lo fr o c d , p r o v i d e se v i d e n c eo fa p p li c a t i o no nc o n s t r u c t i n gi n f o r m a t i o nf o rt e c h n i c i a ni nf i e l da n dm a k e s t h ec o n t r o ni n gw o r ko fc o n s t r u c t i n gt e m p e r a t u r em o r ec o n v e n i e n t k e ) w o r d s ：i 0 t e m p e r a t u r ef i e l d t e m p e r a t u r es t r o s s 。v i s u a l i z a t i o ns y s t e m 第一章概述 1 1 有限元分析技术简述 有限元分析技术作为一种运用计算机的数值分析方法已取得了巨大的成 功。其应用的领域亦已从力学分析扩展到各类物理场的分析( 如温度场、电场、 磁场、渗流场、声波场等等) ，从线性分析发展到非线性分析( 如材料行为非线 性，几何导致的非线性，接触行为引起的非线性等等) ，从单一的场分析发展 到若干个场的耦合分析。 有限元法的实现必须通过计算机，全部有限元法的计算原理和计算方法集 中反映在有限元法的程序中，因此有限元法的程序极为重要。它应具有分析准 确可靠，计算效率高，使用方便，易于扩充和修改等特点。 有限元法程序总体可分为三个组成部分：前处理部分、有限元分析本体程 序、后处理部分。 有限元本体程序是有限元分析程序的核心，它根据离散模型的数据文件进 行有限元分析。有限元分析的原理和采用的数值方法集中于此，因此它是有限 元分析准确可靠的关键，选用方法的合理与否决定了有限元分析程序的计算效 率和结果的精度及可靠性。离散模型的数据文件中主要应包括离散模型的节点 数及节点坐标，单元数及单元节点编码，荷载信息等。对于一个实际的工程问 题。离散模型的数据文件十分庞大，靠人工处理和生成一般是不可能的，除工 作量大不能忍受外，还不可避免的出现数据错误，包括数据精度的不足。为了 解决这个问题，有限元分析程序必须有前处理程序。前处理程序是根据使用者 提供的对计算模型外型及网格要求的简单数据描述，自动或半自动生成离散模 型的数据文件，并要生成网格图供使用者察看和修改。这部分程序的功能很大 程度上决定了程序使用的方便性： 同样，有限元分析程序的计算结果也是针对离散模型得到。例如对温度场 和温度应力问题，可以得到离散模型各节点的温度，各单元的温度应力等。输 出的文本文件量很大，但却不易得到所分析对象的全貌，例如温度哪里很高， 应力集中发生在什么部位及变化趋势如何，因此一个使用方便的有限元程序不 仅要有可供选择输出内容的文本文件，还需要有结果的图形显示，如温度分布 图、等应力图或截面应力分布图等。这部分程序称后处理程序，与前处理程序 相似对程序使用的方便性有举足轻重的作用。 有限元分析程序的三个组成部分对于一个较好的用于实际问题分析的有限 元程序来说，前后处理的程序量常常超出有限元分析的本体程序，前后处理功 能越强，程序的使用就越方便。 第一章概述 1 2 有限元软件技术及其发展概况 有限元软件是和有限元方法同时诞生，并且随着有限元方法和计算技术的 发展而迅速发展。据不完全统计，4 0 年来已经研制了数百个通用的有限元软件 和数千个专用的有限元软件，它们在大中型科学和工程应用软件中占据相当大 的比重。有限元软件是使用有限元方法解决水工、土建、桥梁、机械、电机、 冶金、造船、飞机、宇航、核能、地震、物探、气象、渗流、水声、物理学、 力学以及国防工程等各种科学和工程问题的关键，已经是有限元方法转化为直 接推动科技进步和社会发展的生产力，使之发挥了巨大的经济和社会效益。 4 0 年来，有限元软件经历了有限元分析软件、有限元分析与结构设计软件、 有限元分析+ c a d 软件、有限元分析+ c a d + 专家系统、智能性结构分析系统和 集成化有限元软件环境等发展阶段。从有限元软件的体系结构、实现方法和应 用技术来看，现代有限元软件是一个多科学的，综合技术的集成化产品除了 有限元方法外，数据管理、用户接口、图形加工与管理、人工智能和专家系统、 面向对象的软件设计、以及现代软件工程环境的方法和技术在有限元软件研 制中均占有重要的位置，它们与有限元方法相结合，已经成为了一个特殊的称 之为有限元软件技术的研究领域。在思维方法、表现形式和知识结构上，这个 领域与有限元方法有明显的区别，并且随着计算机的发展它仍在迅速的发展。 从软件技术来说，一个比较完整、高效和使用方便的有限元软件，至少应 包括以下几个方面： ( 1 )数据管理技术： ( 2 )用户见面和系统集成技术； ( 3 ) 智能化技术； ( 4 ) 可视化技术； ( 5 ) 软件自动化技术 ( 6 )面向对象的有限元软件技术。 一数据管理技术 对传统的有限元软件来说，数据管理技术是一种在有限元分析各算法模块 之间传递或交换数据的技术，但从有限元软件的应用角度来看，数据管理不仅 作为一种数据传递或交换的工具，还应作为辅助分析和设计的手段，比如有关 数据的显示和管理，因此有限元软件中的数据管理技术应考虑上述两种目的的 数据管理。 从功能上讲，有限元软件所处理的数据分成如下五种： ( 1 ) 描述用户问题的数据。例如：描述用户问题的几何拓扑数据、描述材料特 征的数据、描述荷载状况和约束状况的数据、描述计算方法的数据和描述 运行特征的数据等： ( 2 ) 描述用户问题有限元模型的数据。例如：有限元剖分数据、单元的材料及 截面数据、子结构数据( 如果采用子结构的话) 、单元的荷载数据以及节点 的约束数据等： ( 3 ) 描述有限元方程的数据。例如：总刚度存储格式数据、总刚度矩阵数据、 2 总荷载数据等； ( 4 ) 描述计算结果的数据。例如：位移、应力、速度、加速度以及特征值、特 征向量数据等； ( 5 ) 历史数据。如果是动态问题或非线性i - 1 题，蝴需要处理上述的信息。 有限元软件的数据管理技术经历了手工管理、文件管理、数据库管理等几 个阶段。 文件管理系统包括：顺序文件与直接文件。文件系统因其简单，易于实现 而被广泛地应用于有限元软件，作为数据和信息交换的手段。但作为数据与信 息交换定额文件对于用户来说是个“黑箱”，不具有开放性，不易于系统的扩 充与维护，并且基于文件系统的程序模块的可再用性差。 6 0 年代计算机系统问世以后，在随机存取的磁盘系统和分时共享为特点的 资源管理( 包括文件管理) 技术支持下，产生和发展了数据库系统。数据库系 统因其具有数据独立性、共享性、数据冗余小、结构性能高以及数据的安全性、 完整性和并发控制性能好而得到广泛的应用。 在数据库基础上建立起来的有限元软件的系统结构具有以下特征 ( 1 )有限元软件的算法程序与其数据管理系统是分离的。数据由数据库管理 系统管理，而独立于程序。库存数据可以有多个功能程序以同样的方式访 问，而不须编制转换程序； ( 2 ) 数据操作的统一性。借助于相应的数据库管理系统有限元软件的功能 程序可以通过同一命令存取不同的数据，其数据结构是样的，操作方法 相同。这大大提高了有限元软件的透明度，增加了开放性。使得有限元软 件易于更新与扩充。 二用户界面与系统集成技术 用户界面是专门处理人一机交互活动的软件成分。例如，有限元软件的前 处理系统一般就是一个用户界面。用户界面已成为一个独立的、内容丰富的领 域。一方面，同一般的应用软件一样，有限元软件的用户界面不单是提供一种 使用方便和能交互式地输入输出相关信息，而且提供一个高效的系统集成能 力另一方面，由于有限元软件主要解决大型的科学与工程问题的计算工作， 它具有数据类型复杂和输入量大的特点，因此有限元软件的用户界面技术应该 能提供一种高效的数据压缩技术，即用户只需输入少量的信息就能描述清楚有 限元分析所需的全部数据。 一个好的有限元软件，其用户界面应该具有以下特点： ( 1 ) 使用的简便性。用户在要求软件功能和性能提高时，要求使用软件的手 续尽可能简便，输入形式方便，得到的输出结果形象直观、一目了然。而 且自动化程度高。 ( 2 ) 用户界面术语的标准化和一致性。这不单指用户界面中所使用的专业术 语标准化和具有一致性，而且也指交互方式的标准化和一致性。这时的用 户不但很容易懂得输入数掘或信息的含义，而且也容易掌握。 ( 3 ) j j | j 订；f i i 级的存线( o n l i n e ) i i e l p 予系统。使得，j i 神f 状态f ，i i l 以通过它获得指定的舰格既i 砌、命令解释铅珙信息 兑i 砌。 ( 4 )算法的可隐可现性。算法对于初学者来说可以隐藏的，他们可不考虑选 择算法问题而正常使用，但对于岛缴的兀发型朋，o 来既，他们有算法选择 的权利，尽管更高级的有限元软件提供了算法的自适应性选择功能。 ( 5 )数据压缩性高。一个好的用户界面，应该在保证使用简便和易于理解的 前提下，尽量让用户输入较少量的信息，即具有较高的数据压缩技术。 ( 6 )快速的系统响应和低的系统成本。因为好的用户界面在运行时可能要使 用较多的硬件设备并引入较大的系统开销，因此，必须精心设计界面， 以加快系统响应并减少系统开销。 户用界面技术包括三方面：数据压缩技术、交互技术、用户开发界面工具 和环境，分别用于解决输入的数据量大的问题、交互式输入数据和系统组织、 快速方便的生成所需要的接口系统。 三 智能化技术 从应用的角度来说，有限元软件作为工程结构分析工具，已经成为结构搜 计的重要组成部分，它要求有限元方法及其软件有较高的可靠性。由于有限元 分析软件和结构分析问题本身的复杂性，使得整个结构分析的可靠性不但要靠 软件本身的可靠性，而且要靠用户使用的可靠性，这就促使了专家系统技术在 结构分析领域中的应用。 智能化技术在有限元软件中的应用目前主要在两个方面：模型化系统和 前端处理。 ( 1 ) 前端智能化。即采用智能化方法帮助用户使用有限元软件，如针对特定 的问题选择分析决策和准备输入数据以及正确地调用软件的相关部分来完 成相应的分析策略； ( 2 )模型化系统。即辅助用户建立特定问题的力学模型和有限元模型。 四可视化技术 有限元计算涉及到的数据类型多，数据量大，产生的结果数据量也大而复 杂，对输入信息的检查核对结果数据理解的困难迫使人们去探求更新的软件 技术，科学计算的可视化技术正是在这一背景下发展起来的软件技术，它凭借 计算机自身及其配套设备的图形能力，把计算机中产生的数字信息转变为直观 的易于研究和理解的图形和图像形式，它们可以使静态的或是动态的画面并 可以交互式的呈现于研究者和工程师面前，以加快与加深它们对被模拟的对象 的分析和理解。 科学计算可视化的基本思想是将科学计算中从建立模型到表达计算结果均 用图形的输入和输出来实现，将复杂的数据计算和数据处理推向后台，用户主 要和图形打交道。用户通过使用多媒体技术在屏幕上作图和修改图形，形成计 算模型后，自动形成后台的引用文件；用户可以通过交互方式获取中间结果的 图形仿真以了解计算过程，干预和引导计算并最终获得计算结果的图形、颜色、 静态和动态画面：使研究者了解全部过程和发展趋势。科学计算可视化将图形 生成技术和图像理解结合在一起，它既可以理解送入计算机的图像数据，又可 以从复杂的多维数据中产生图形。它实现把计算小产卜的数字情息转变为札观 的、以图像或闭形信息表示的、随时n u 种i 空间变化的物理现豫戏物珊m 例如 4 西安理工大学硕士论文 i 皇宣_ i i i i 一 ，f j 变形i 冬l 将结构受荷后的位移变化表示l 束 j | t 方便阿观地形成有限元模! i ! ! 等。 科学计算可视化涉及到多个独立的领域 机视觉、计算机辅助设计及交互技术等。 又如他川交! j ：式刚格生成技术使 计算机图形学、图像处理、计算 根据建立的可视化数据集的数据模型的表示方法不同，将可视化技术分类 如表1 表1 基于数据类型和维数的可视化技术分类表 维数点标量2 d 矢量3 d 矢量 l 1 维散乱点绘图线画图 【1 】 直方图 1 )柱形图 2 2 维散乱点绘图等值线抽取2 维场箭头 造型法2 维场线 平丽箭头 图像映射 2 皇f e 质点划l 迹 2 维场拓扑 2 】 约束区域图3 维场箭头 2 维直方图3 维场线 3 维质点轨迹 3 维场拓扑 2 )2 维柱形图 3 3 维散乱点绘图等值线抽取 c u b e r i l l e 方法 体绘制 n n 为散乱点绘图 点数据可视化技术是对定义域中的一些点进行映射，其关键是如何将空间 的点向二维图像平面投影。标量场可视化是目前可视化技术研究较多的领域， 特别是三维标量场可视化技术。最简单的标量场是一维标量场，如同表示函数 y = f ( x ) 一样，一维标量场可直接用线画图表示，基本方法是在x y 平面内根 据采样点的值，构造差值函数f ( x ) ，根据f ( x ) 生成采样点之间的线段。二 维标量场可看作是二维平面网格点或散乱点上的数据分布，其关键是如何插值 函数或逼近函数。对于网格数据最简单的方法是采用双线性插值，仅依赖四个 网格点构造其插值函数形式为： f ( x ) = 口l4 - 1 1 2 x 4 - a 3 y + 口x y 要获得较好的连续性，可采用双三次插值，它是计算一阶导和二阶导，其形式 为： 33 f ( x ) = a 口x 。y j , 0 x ，y l - o ，t o 它很秤易映射到一个m 元上，常见的有双三次i i c r m i t e 函数羽l 双王次b e z i e r 第一章摄述 函数。 二维标量场的等值线绘制是标量场可视化的主要技术。 矢量场可视化要求显示每一矢量的大小和方向，一乖1 ，方法是采用标置显示 技术显示矢量每一分量的分布，另一种方法就是对大小和方向同时进行显示。 矢量场的几何表示一般有点表示、线表示和面表示三种方法。线表示使用的较 多一种方法，主要有场线和质点轨迹线两种。场线是在某一时刻t 连接各点矢 量的一条有向曲线，如c f d 中的流线、电磁场中的磁力线等。质点轨迹是某 一质点经过该矢量场时的一条轨迹，主要是c f d 中的质点运动轨迹对于线 表示主要是要选择合适的起始点。 五软件自动化技术 该项是针对开发通用的有限元软件而言。通用的有限元软件，对于一个特 殊的工程应用来说，为了进行有效的结构分析，工程师常常不得不作一些修改， 加入新的材料新的单元，再者有限元软件及其应用领域仍在继续发展，新材料、 新方法层出不穷，为了适应这些变化，除了开发和扩充可再用的有限元软件系 统外，更重要的是开发有限元软件的自动生成系统。 六 面向对象的有限元软件技术 传统的软件工程方法是采用“面向任务”的观念，即为某项任务而设计， 这种方法论产生了分析与设计阶段的鸿沟，导致了分析阶段的问题域与设计阶 段的求解域不一致；面向对象的方法是为了摆脱这种不一致性丽建立起来的新 型软件工程方法，这种方法采用“建模”的观点，采用同一的概念和术语，使 得分析和实现一致，极大的提高了软件成果的可再用性和可扩充性。 面向对象方法的指导思想是；按人们通常的思维方式建立问题域模型，涉 及尽可能自然地表现求解方法的软件。为此，必须建立直接表现组成问题域的 事物及事物间的相互联系的概念建立适合人们思维方式的捕述范式。在而向 对象的方法中，对象( o b j e c t ) 和消息传递( m e s s a g ep a s s i n g ) 分别表示事物 与事物间的相互联系；类( c l a s s ) 和继承( i n h e r i t a n c e ) 是适合人们思维方式 的描述范式；方法( m e t h o d ) 是作用于对象上的各种操作；上述概念构成了面 向对象的方法学的基本实体。 面向对象的程序实现。就是选用某种面向对象的程序设计语言实现面向对 象设计的软件系统。从理论上讲，任何完备的程序设计语言均可实现某种特定 的功能要求，只是难易程度不同而已。大多数工程软件开发者都习惯于用 f o r t r a n 语言来开发有限元软件，从理论上讲，f o r t r a n 语言也可以用于 面向对象有限元软件开发，但并不实用，这不单是实现的困难，而且很多面向 对象的属性丢失了。因而最好的选择是采用面向对象的程序设计语言。 l 一3 温度场温度应力有限元分析本体程序 一稳定温度场有限元计算程序 由热传导理论，稳定温度场t ( x ，y ，z ) 在区域r 内应满足拉酱拉斯方程 6 西安理工大学硕士沦文 窘+ 窘一一窘= 。a x 2a v 2 a 窖2 及在第一类边界上应满足：t = t 。 在第三类边界上应满足：九娶+ 卢( r l ) ：o 在绝热边界上应满足：五娑：0 其中b 为表面放热系数，x 为导热系数，n 为外法线方向。t 。，t b 为给定的边 界温度。 在程序中边界条件的处理如下： 图1 1 稳定温度场计算边界处理 二非稳定温度场有限元计算程序 c 。气边界： c 2 水边界； c ，绝热边界； c 为第三类边界，c ：为第一类边界 浇筑块分缝处的y z 面为绝热面。 由热传导理论，坝体三维非稳定温度场t ( x ，y ，z ，t ) 应满足下列偏微分方 程及相应的初始条件和边界条件。 泛定方程： 卯 ，a 2 ta 2 r a 2 r ：a 口 瓦2 口( 矿+ 萨+ 可) + 瓦 其中兰温度随时间的变化率 d f a 导温系数 0 混凝土的绝热温升 初始条件：t i ，o - - t o ( x ，y ，z ) 边界条件：第一类边界条件t = t 。 第三类边界条件a 瓦a t f ，+ 旯石a t ，+ 旯i o t i z + ( 7 一瓦) = o0 譬洲。出 第一章糨述、 鼻毒| 一i i ii i 一 绝热边界条1 ，i ：t 一i - - - 2 = 0 o n 式中l 。，i ，l ：边界外法线的方向余弦 t 。给定的边界条件 t 。气温 t 。( x ，y ，z ) 给定的初始温度 入导热系数 1 3 表面放热系数 施工期非稳定温度场的边界处理如下： 图1 2 非稳定温度场计算边界处 c 气边界； c ，绝热边界： c 归为第三类边界，浇筑块分缝处的y z 面为绝热面 蓄水期和准稳定过程边界处理与稳定温度场计算边界相同处理。 二温度应力有限元计算程序 采用初应变法求解。 计算应力的公式如下： 【a 】- 【d 】( e ) e 。 ) = 【d 】【b 】 6 ) 。一【d 】 co ) 单元节点力： f 。) 一【b 】7 【d 】【b 】t a 6 一【b 】 d t a ( e 。) = 【k 】( 6 ) 。- 【b 】7 d t a eo 当该节点没有外力作用时 o k 【b 】。 d t a o ) ，【k 】 若该节点有外力作用 o ) = ( 【f 。】+ 【b 】【d t a e 。) ，【k 】) k 】 初应变： o = qt 。qt ，qt ，0 ，0 ，o t 约束条件的处理( 由于计算模型关于x 轴对称，计算体只取模型的一半。) 8 西安理工大学碉士论文 圈i - 3 约束条件示意圈( y z 剖面) 图1 4 约束条件示意图( x z 割面) 1 4 可视化系统研究的必要性及本文完成的主要工作 结合国家9 5 攻关项目，已有论文根据碾压混凝土坝的施工特点，对其进行 有限元仿真分析，计算分析碾压混凝土坝三维稳定温度场，施工期和运行期碾 压混凝土坝的非稳定温度场及温度应力，并用f o r t r a n7 7 编写了有限元程 序。程序中用8 节点六面体等参数单元对坝体结构进行剖分，为节约计算机内 存，减少计算时间，程序中采用浮动网格法和分区异步长法。程序考虑了混凝 土不同浇筑温度、外界气温、施工间歇时间、浇筑层厚、混凝土坝材料分区等 复杂因素对温度场的影响，考虑徐变、自生体积变形、坝体的材料分区和重力 等对坝体的作用。因此，用此程序可动态仿真分析碾压混凝土坝温度场和应力 场。 f 但原有程序是在n d pf o r t r a n 下开发的程序。f o r t r a n 语言在科学计 算方面具有优越性，但d o s 环境下运行的程序，在数字显示方面十分呆板， 不直观，人机界面不友好，这些缺点给程序使用者带来了许多不便，尤其给有 限元程序的数据输入和结果输出带来了困难。况且当前w i n d o w s 应用程序的 可视化、面向对象、事件驱动等优点，促进科学计算应用程序的设计也应该向 w i n d o w s 环境，和应用数据库技术的方向发展。因而对碾压混凝土坝温度场 温度应力程序的可视化系统研究是很有必要的。 1 2 3 4 5 本文完成的主要工作有 可视化系统框架设计 程序前处理系统研究； 程序内核系统转换； 后处理系统研究( 包含数据查询、图形输出、信息编辑) 帮助系统的设计。 9 衫一 一 第二章碾压混凝土坝的施工 一it 和运行模拟 2 1 碾压混凝土坝的施工和运行模拟 碾压混凝土坝的温度场和温度应力场计算分析需与大坝的施工过程和运行 过程结合起来考虑，动态模拟大坝的施工过程和运行过程，逐时段计算大坝的 温度场和温度应力场，需记录和反映温度应力形成的历史过程及大坝施工、运 行环境对温度和应力的影响，还要根据碾压混凝土坝薄层连续浇筑施工或长、 短间歇的实际情况和在施工过程中可能出现的各种情况变化，用计算机进行分 析，做出快速反应，提供坝体任意时刻的温度场和温度应力为调整施工方案 提供依据，达到最优化的目的。 碾压混凝土坝温度场和温度应力的计算和分析，用三维有限元模拟施工过 程在微机上实施计算是很困难的，尤其是高碾压混凝土坝，按薄层浇筑( 通常 层厚为0 3 m 或0 7 m ) 情况，在高度方向上按薄层划分单元，则该方向上少则 达几百层单元，多则达上千层单元，而模拟施工过程中又按时间步长反复计算 的，计算工作量很大，占据计算机内存和耗费机时很多，在微机上无法实施。 在浮动网格的基础上，采用分区异步长法，即首先按实际浇筑层厚( 例如龙滩 坝浇筑层厚为0 3 m ) 进行分层计算待浇筑到一定程度后( 如浇筑2 0 层后) ， 此时下部某些不同浇筑层的温度变化梯度较小，于是可以把几层相邻的浇筑薄 圈2 1 网格浮动及分区异步长示意图 层网格加以合并，即小网格变成大网格，同时在大网格区域扩大步氏，而在i 二 面新浇筑混凝土仍采用小网格小步长计算( 见圈2 1 1 。 若假定图2 1 中的n f d = 2 0 ，n f p = 1 0 ，则当坝体浇筑完2 0 薄层，下面的1 0 薄层合并为一大层，形成大网格，大网格区域即为r 3 区域( 大步长区域) r 3 区域的上面5 个薄层为r 2 区域( r 2 和r 1 区域均为小步长区域) ，其余的为r l 区域。r l 区域随着坝体的继续浇筑，r l 区域不断的扩大。当浇筑至3 0 薄层时， 第1 0 薄层与第2 0 薄层之间的小网格又可以合并成为大网格。如上所述在施工 过程的模拟计算中，根据混凝土龄期的不同而逐步把几个浇筑层合并起来，计 算过程中网格划分随时间有规律的变动，从小网格变成大网格，小步长也有规 律地扩大成大步长，这种有规律的网格变动和步长修改可反复有序地进行，这 样就可把原来的数百层网格减小到几十层，在整个区域采用小步长变化到只在 上部较小的区域采用小步长，计算效率大大的提高，在计算过程中，每个浇筑 层经过了从薄层小步长的计算，充分考虑了分层施工的实际影响。 在运行期的模拟计算中由于坝的网格不再增加，停止网格浮动，而计算 步长采用输入的蓄水信息，每个计算步长内的参数采用该时间段内平均边界条 件( 气温、水温) 。 本系统的前处理中考虑防渗面板的网格及材料分区，因而可以模拟上游面 有防渗面板的温度场及温度应力计算，施工方式是采用防渗面板与坝体碾压混 凝土同步上升。 第三章可视化系统框架设计 及开发工具 3 1 有限元软件结构 ， 有限元分析软件可划分为四大块：前处理、有限元分析、后处理、文件系 统，相互关系见图3 - l 。随着计算机运算速度的提高，内外存容量的扩大和图 图3 - l 有限元分析软件 有限元模型前处理 算法 有 ”m “8 * 。6 l 用户接口算法卜一 限 单元分析 ， 兀 分 约束处理 析 1 人工橱能算法 算 有限元方程求 法 解算法 ， ， l 目m m * 后处理算法 圈3 - 2 有限元软件的算法结构 形设备的发展，有限元软件在原来的分析软件的基础上扩充了与应用领域相关 的的前后处理功能，并改善了文件管理系统。一般的通用有限元软件，必然涉 及到各种各样的算法，如果按照有限元分析步骤划分，可以将它们归属7 类。 形成图3 2 所示的算法结构。对于有限元分析而言，关键是有限元模型生成的 前处理算法，包括单元自动剖分与单元信息生成算法、节点编号的最优化算法、 节点自由度标定算法等。而后处理算法是科学计算可视化的关键。 第三章衄辘化系娆堡舞键盐壤开发工具 3 2 系统模型的建立 本系统结合有限元软件的算法结构和相应的软件技术，建立软件系统模型 如图3 - 3 。 n d p 开发的程序分三部分：稳定温度场程序、非稳定温度场程序和温度应 力程序。这三个程序相互独立，每个程序都有独立的输入与输出处理，但输入 的数据有很大一部分是相同的，尤其是网格数据，如果这三部分的计算采用一 个输入模块，能减少很大工作量；输出也可以采用同一的数据格式，进行统一 后处理。按照有限元程序设计步骤及温度场温度应力计算特点，系统设计为由 以下几部分构成：前处理、分析计算、数据查询、图形输出、信息编辑、帮助 系统和退出程序( 见图3 - 3 ) 。各模块之间的信息传递见( 图3 4 ) 。而其中的个别 信息，由于各模块中较频繁的使用，因而设为公共变量，使其在各模块之间自 由引用( 分析计算模块除外，因为该模块跟其它模块不在同一个编译环境下) 。 l 苛税循素虢| 数据查询 数据库建立 精度查询 应力查询 图3 - 3 系统模型构造 3 3 数据管理 、数据的组织、结构和管理直接影响到可视化系统的有效性处理科学数据 的传统方法是使用顺序文件，这种方法的明显缺点是：访问子集困难、存取时 间长、不易使用。这些缺点在处理大型数据集时会显得更加突出。当前常用的 存储方法是关系数据库管理系统。数据使用基于查询语言( s q l ) 命令的接口 来进行抽取。s q l 是i b m 开发的一种用作数据定义和处理的标准化语言接口， 后来成为一种i s o 标准，它用作数据库管理软件的查询语言。本系统采用v b 代码创建数据库。通过j e t 引擎来访问。各子系统中的信息传递见图3 - 4 。 本系统数据管理采用顺序文件和数据库并存的方法在此仍然使用顺序文 件的原因在于，原有程序所采用的f o r t r a n 语言，它不支持商用数据库格式， 与计算分析本体程序进行数据交换还得依赖于数据文件。 r 一一一一一一 ： 前处理系统 ： 二匝殖壅困： 分析计算系统 厂砥葫酗丽翦 翌塑翌堕阳 墨垦曼塑丛苎 ：后处理系统 f ： 二，垂亟重e ： ； 二二：壁厦童晒二： ； ：【：旦里里j 口： ：i墨查塑堕皇立! ! ：簦l i ： 二：堕里至堕兰堕： ： 一1 一一。一一r 一。t 一。 f数据疆f 商传递 j上( 教撼文件) 1 教据积向传递! 竺塑竺兰：墨竺数据单向传递 ( 蟊蔽雨1 耐l j 堕u 气丽蔽i 1 菊矗) i e 翟粤至j ； 图3 - 4 数据管理算法 3 4 模块化编程及界面设计 软件系统的层次结构正是模块化编程的具体体现( 将整个软件分为若干个 独立命名和可编程的部分，称为模块) 。模块化设计降低了系统的复杂性，使 得系统容易修改。并推动了系统各个部分的并行开发，从而提供软件的生产效 率。本系统包含的模块主要有：公式拟合模块、网格处理模块、分析计算模块、 数据管理模块、数据查询模块、图形处理模块、信息编辑模块等。 各模块中涉及界面设计，尤其是在前处理的界面设计的好坏直接影响到程 序的使用，系统中使用了两种界面形式：多文档界面( m d i ) 和单文档界面 ( s d i ) 。m d i 界面由父窗口和子窗口组成，它允许用户同时显示多个文档，每 个文档显示在自己的窗口中，文档或子窗口被包含在父窗口中；父窗口为应用 程序中所有的子窗口提供工作空间。本系统为了便于结果图形的察看，主窗体 采用m d i 界面，前处理网格显示模块和后处理网格图形输出均定义为m d i 界 面的子窗体，因而允许多个图形界面同时并存以便查阅，而其他输入、输出以 及控制窗口采用s d i 界面。 本系统包含的界面可分为三类；数据输入界面、数据显示界面、控制界面。 数据输入界面 数据输入界面的目标是尽量简化用户的工作，并尽可能减少输入的出错率。 为此，在设计时尽可能减少用户的记忆负担，是界面具有预见性和一致性，防 止用户输入出错以及尽可能增加数据自动输入。本系统的数据输入界面设计 与响应见图3 5 。 数据输入界面 修改或承认默认 _ 值 数 验 l 数据类别l 在列表中选择输 据 打开 i 数据类别2 入 证 数据 f 数 有效 存 i 数据类别3 空文本框输入 盘 i 数据共别4i 据 表格数据输入或 否 由文件输入 二数据显示界面 图3 。5 数据输入界面设计与响应 数据显示界面包含屏幕查询、图形显示和报告。本系统的屏幕查询数据显 示以表格方式为主，、用网格控件来显示数据库数据也是最为方便的，当查询结 果量大时，网格控件能实现换屏和上下滚动显示。由于图形从数据集合中概括 出某些特性并且具有“直观”的优点，因此对处理和分析结果更有效。本系统 采用最多的是等值线图，并按值的大小赋以不同的颜色。图形界面上带有多种 功能见图3 - 6 。报告是输出字符的一个子集，它的功能可以是从一个系统向另 一个系统传递信息，是某一系统的总结报告，是一个历史文献、简单的列表等。 本系统的报告分为两部分的内容：数据处理结果和输入初始数据。本系统的信 息文件生成模块完成报告的输出。其输出界面是利用w o r d 对象的界面。 圈形文件操作 亦 胛 三控制界面 厂二 图形界面 。= _ 7 ：= 一 ， ， 图3 - 6 图形界面功能 设计控制界面的主要目的是让用户能够主动地控制计算机软件系统的工作， 使得用户能够很容易地访问计算机的各利设嵛。木系统涉及的控制方式有：对 话框、菜单、快捷键、窗口等。 3 5 开发工具 本系统用到的开