心形線雙曲拱壩體型建模與有限元分析.pdf

1、隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，國(guó)家各個(gè)行業(yè)對(duì)電力的需求也越來越大，水電作為一種可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略方針，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著巨大的貢獻(xiàn)，但水電能源作為潛在的健康能源，在我國(guó)的已開發(fā)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及歐美國(guó)家，因此開發(fā)利用我國(guó)豐富的水電資源成為水利水電建設(shè)的重要任務(wù)之一，而拱壩作為一種既安全穩(wěn)定，又經(jīng)濟(jì)美觀的壩型，在現(xiàn)代水利水電建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用，尤其是在地質(zhì)地形條件較好的峽谷中，有著不可替代的作用。人類修建拱壩有著悠久的歷史，拱壩的線形

2、也從最早開始的圓弧拱壩，發(fā)展到后來的拋物線拱壩，橢圓拱壩，雙曲線拱壩，三次樣條曲線拱壩，對(duì)數(shù)螺線拱壩以及混合曲線拱壩，可以看出拱壩線形的設(shè)計(jì)與研究已日趨成熟，但實(shí)際上這僅僅限于上述已有的拱壩線形研究，如果不創(chuàng)新突破，拱壩線形的研究終將停滯不前，同時(shí)拱壩未來的發(fā)展趨勢(shì)是面對(duì)更多不利的地質(zhì)地形條件，這樣就需要更多的線形來進(jìn)行對(duì)比論證，所以研究一種新線形對(duì)拱壩發(fā)展至關(guān)重要。本文在這樣的背景之下，首先提出了一種拱壩拱圈的新線形——心形線，以心形

3、線為創(chuàng)新出發(fā)點(diǎn)和研究對(duì)象，推導(dǎo)了心形線作為拱壩拱圈中軸線的數(shù)學(xué)方程并建立了心形線雙曲拱壩的數(shù)學(xué)模型，并通過在AutoCAD中與C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了心形線雙曲拱壩的三維實(shí)體模型的程序智能繪制;然后介紹了有限元法的相關(guān)原理和ANSYS軟件的相關(guān)應(yīng)用;接著設(shè)計(jì)了心形線雙曲拱壩在ANSYS中參數(shù)化建模的程序;再接著在ANSYS中對(duì)心形線雙曲拱壩在特殊荷載工況下進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)在有限元分析應(yīng)力結(jié)果，得出心形線作為拱壩拱圈的一種新線形的合理性

4、，再通過與拋物線雙曲拱壩進(jìn)行對(duì)比，得出心形線雙曲拱壩的優(yōu)缺點(diǎn)。心形線雙曲拱壩的提出及體型建模將為新的拱壩研究與發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。
　　作為本論文中研究重點(diǎn)的心形線，其本身的直角坐標(biāo)系方程用于拱壩建模十分復(fù)雜，但通過與心形線的極坐標(biāo)方程結(jié)合，找到了心形線作為拱壩線形進(jìn)行建模的突破點(diǎn)，因此首先根據(jù)心形線的極坐標(biāo)方程推導(dǎo)了心形線作為拱圈中軸線的數(shù)學(xué)方程，建立了心形線的極角θ與拱壩半中心角ψ之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)合已建拱壩的體型參數(shù)

5、特點(diǎn)，初步設(shè)定了半中心角，就可得到心形線本身的參數(shù)，根據(jù)已得到的心形線參數(shù)，就可建立心形線拱圈中軸線的數(shù)學(xué)方程以及上下游拱圈的數(shù)學(xué)方程，通過與設(shè)計(jì)規(guī)范中的拱冠梁數(shù)學(xué)方程結(jié)合，并利用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了心形線雙曲拱壩坐標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算和繪制，曲線的擬合，曲面的生成以及拱壩體型的建模;在完成初步建模之后，便可在ANSYS中進(jìn)行應(yīng)力分析，并根據(jù)有限元分析結(jié)果，對(duì)應(yīng)力不符合設(shè)計(jì)規(guī)范的部位進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，最終可得到符合設(shè)計(jì)規(guī)范的心形線雙曲拱壩