渡槽有限元模型建立研究

1、渡槽有限元模型建立研究摘要:本文主要从渡槽的物理模型、有限元模型、预应力钢绞线的模拟几个方面论述有限元模型的建立过程。文中所提到的整体模型分割化的思想、有限元网格划分技术是有限元分析中的重要技术环节，关系到后继的静动力分析能否成功进行；预应力钢绞线的模拟解决了目前弯曲预应力钢筋有限元计算中存在的技术难题，同时从理论上给出了类似问题的解决思路，对于实际工程具有较大的参考价值。关键词:物理模型、有限元模型、预应力钢绞线模拟Abstract:thisarticlemainlyfromtheanalysisofthephysicalmodel,thefiniteelementmodel,andthes

2、imulationofprestressedcableseveralaspectstoelaboratethefiniteelementmodeloftheprocess.Thewholemodelofsegmentationmentionedtheideas,finiteelementgridpartitiontechnologyisanimportantlinkofthefiniteelementanalysistechnology,inrelationtothestaticanddynamicanalysisofthesubsequentsuccess;Thesimulationofpr

3、estressedsteelstrandissolvedbybendingprestressedreinforcedfiniteelementcalculationofthetechnicalproblemexistedin,atthesametime,thispapergivesthesimilarproblemsinthesolution,thepracticalengineeringhasgreatvalueofreference.Keywords:thephysicalmodel,thefiniteelementmodel,prestressedsteelstrandsimulatio

4、n中图分类号：TV672+.3文献标识码：A文章编号：1.1物理及有限元模型的建立在以往的水工结构分析中，经常采用房屋建筑学中梁、柱和板壳等一维或二维构件作为设计中力学分析的依据，造成了较大的误差，这种误差有时甚至会造成结构的失效或材料的严重浪费。物理模型建立过程中，首先要解决的一个问题是如何最大限度的模拟结构本来的受力状态。这一问题其实也是如何选取合适单元类型的问题。关于单元类型的选择，主要考虑以下几个方面：(1)结构类型。一般来说，对于块、体结构采用solid单元模拟；对于板、壳结构特征明显的结构，采用shell单元模拟；对于杆系结构，则采用link或beam单元模拟。(2)结构应力、应变

5、的特点。对于堤、坝等建筑物，根据其应力应变的特点，可以将其简化为平面应变问题分析；另外有一类特殊的空间问题-轴对称问题，其实质是二维问题，这时可考虑采用plane单元模拟。(3)结构约束条件与受力状态。以上面提到的轴对称结构为例，不仅几何上需要轴对称，荷载分布也必须轴对称才满足简化条件。(4)计算精度要求。我们可以根据计算精度及结构边界形状拟合精度的要求，选择采用线性单元或高次单元。以plane单元为例，有线性plane单元及二次plane单元，其中二次plane单元由于具有二次插值函数，更适合于边界形状不规则问题的网格划分。本文所作的大型渡槽结构，其空间受力特性显著，在建模的前期工作中，考虑

6、到预应力筋的施加及计算规模的限制，混凝土的模拟采用了一次六面体等参单元，钢筋采用空间杆单元模拟。在建立物理模型的过程中，整体模型分割化的思想贯穿了建模的全过程。混凝土加载试验中，试块的形状为立方体状，大小为150mm150mm150mm，为使划分网格后单元形状及大小接近或达到试块标准，需人为控制网格划分的质量。对于形状不规则的几何体，网格划分很难控制，往往得不到我们想要的效果。整体模型分割化的思想是将复杂的几何体分割成简单、规则的几何体的叠加，通过共用面实现各相邻小几何体间的连接。整体模型的分割主要应从便于网格划分及便于施加预应力筋两个方面加以考虑。以下就这两个方面分别进行介绍。对于有限元分析

7、来说，网格质量影响着整个计算的精度，对于有严重畸变的网格结构，甚至会得到错误的结果。整体模型分割的好坏直接影响有限元分析的精度。如图(2-1)所示为洺河渡槽的实体模型，该渡槽为三向预应力结构，在渡槽的四面侧墙中设有弧形预应力钢绞线，底板及纵梁亦设有预应力筋，预应力对结构静力及动力作用的影响不容忽视。划分网格后在待施加预应力筋的侧墙中心部位形成一个节点平面，为后继施加预应力钢绞线做好铺垫。图2-1洺河渡槽实体模型图2-2分割后侧墙网格划分结果如图(2-1)所示为洺河渡槽的实体模型，从图中可以看出，该渡槽大体上是由纵梁、横梁、侧墙、底板组成，在底板与侧墙的交接部位设置倒角，以防应力集中现象产生。在

8、进行这样一个复杂结构的网格划分时，首先要进行分割，按照上文提到的两个原则便于网格划分和便于施加预应力筋的原则，对于侧墙考虑到预应力钢绞线的施加，用上文所述的线控法进行线划分控制，从而控制网格结构（图2-2）；在横梁与底板交接部位形状较复杂，网格划分较难控制，为了得到整齐规则质量较高的网格结构，需在每一根横梁的左右进行切割，将其单独分为一个结构，再用体扫掠的方法依次划分。在此需要注意的是，体扫掠网格时，必需从一个方向向另一个方向单向扫掠，整体渡槽有限元网格划分完成后如图(2-3)所示。图2-7洺河渡槽整体有限元模型1.2预应力钢绞线的模拟在渡槽的整体结构分析中，预应力钢绞线起着关键作用，如何对预

9、应力钢绞线进行精确模拟也是本文研究的一个重点。目前，在用有限元法进行结构分析时，常用的预应力模拟方法有以下几种：(1)温降法温降法是分离式钢筋混凝土有限元模型中的一种，它是通过将钢筋和混凝土分开建模，然后赋予钢筋和混凝土不同的温度，从而在钢筋的变形过程中，受到混凝土的限制产生温度应力。这种温度应力可以作为钢绞线的预应力施加在结构上。(2)等效荷载法等效荷载法顾名思义是将预应力的作用转化为与其等效的荷载施加在结构上。该方法的一个突出优点是建模较简单，不必考虑网格划分过程中生成节点的位置，对网格划分要求较低。但该法与温降法有一个共同的难以克服的缺点，即在结构受力变形过程中，忽略了预应力筋的附加作用

10、，不能确定力筋在外荷载作用下的增量。(3)初始应变法初始应变法也是分离式钢筋混凝土有限元模型中的一种，该方法并不过多的考虑预应力钢绞线的具体位置，而只是保证在有预应力的位置具有一个平面，从而在网格划分时，能保证在该平面有足够多的节点。最后通过编制程序自动将钢绞线单元施加于混凝土单元中间，再通过设置钢绞线单元(Link8)的实常数确定单元的初始应变，程序自动通过材料特性(E-)将初始应变转化为初始应力，从而完成预应力钢绞线的模拟。该方法较前两种方法的优越性是钢绞线在渡槽变形的过程中，能够根据渡槽的变形不断调整应力的大小，与结构的实际受力状态能更好的吻合，尤其在动力分析中，能更好的考虑到预应力对结构动力性能的影响。参考文献陈彦文，赵瑜，何俊卿等.大型钢筋混凝土矩形多纵梁渡槽结构设计研J.灌溉排水，2002,21(2):6366张静娜，马秋娟，马文英.大型多侧墙联体式矩形渡槽槽身优化设计研究J.人民黄河，2008(4)李遇春，楼梦麟.强震下流体对渡槽槽身的作用J.水利学报，200