ANSYS软件在土坝渗流稳定计算中的应用

第2章水工流体力学问题的ANSYS模拟ANSYS软件具有专门针对流体的计算模块，可以模拟理想流体的流动、稳定和非稳定渗流。

本章主要介绍利用ANSYS进行简单的渗流分析和流体分析。

2.1 水工渗流场模拟需要指出的是，在ANSYS中并不存在专门的渗流分析模块，但由于渗流场与温度场的有限元计算公式相同，因此可以利用ANSYS中的热分析模块进行分析，只需相应参数对应采取即可。

鉴于问题的复杂性，这里仅用一个重力坝的例子进行分析。

2.1.1 数值模拟对象考虑混凝土大坝下水的渗流。

假定坝下土壤的渗流系数K约为每天15米，即K＝15m/天，试确定该土壤的渗流速度分布。

本问题为一个稳态渗流问题，可以利用ANSYS的稳态热传导进行分析。

2.1.2 有限元模型本问题中，考虑混凝土坝体不透水，渗流主要发生在坝基部分，因此，模型仅涉及坝基，具体建模过程如下：1．模型的定义启动ANSYS，设置好文件夹及文件名；2．设置分析类型点击Preferences，在弹出的对话框中选择Thermal，选择热分析，点击OK；随后进入前处理模块：Main Menu>PreProcessor；3．设置单元类型对于二维渗流（热）分析，采用Plane55单元。

Element Type>Add/Edit/Delete…，弹出对话框：4．定义材料参数稳态渗流分析中，主要设置材料的渗透系数（本问题中，坝基材料的渗透系数为K ＝15m/天，其对应热分析中的热传导系数）。

设置方法如下：Material Props>Material Models …，弹出对话框中：5．建立数学模型本问题中，通过创建关键点，再由关键点直接生成二维（坝基）面。

●在命令行中，分别输入关键点命令，生成关键点：K,1,0,0；K,2,5,0；K,3,9,0；K,4,16,0；K,5,16,4；K,6,16,5；K,7,9,5；K,8,9,4；K,9,5,4；K,10,5,5；K,11,0,5；K,12,0,4●连接关键点生成面Modelling>Creat>Areas>Arbitary>Throuth KPs…，弹出点选择对话框：8，9）、（3，4，5，8）、（8，5，6，7）、（12、9，10，11），生成其它四个面。

土石坝有限元分析（ANSYS）－渗流分析命令流土石坝渗流分析，采用非饱和土渗流参数，迭代计算浸润线，根据前次计算结果，不断修改单元的渗透系数和浸润逸出点位置，直到满足精度要求。

本算例的土石坝体型比较简单.采用非饱和渗流计算.即渗透系数为空隙压力的函数.首先建立一个数据文件PPPP.TXT，存储渗透系数函数关系，如下。

第一列为空隙压力值（水头M)，第二列为渗透系数指数，渗透系数等于10^A(M/D)。

! -10.00 -4.0E+00! -9.00 -3.6E+00! -8.00 -3.2E+00! -7.00 -2.8E+00! -6.00 -2.4E+00! -5.00 -2.0E+00! -4.00 -1.6E+00! -3.00 -1.2E+00! -2.00 -8.0E-01! -1.00 -4.0E-01! 0.00 0.0E+00!土坝顶宽4M，上下游坡比均为1:2，总高12M，底宽52M。

上游水深8M，下游无水。

FINISH/CLEAR/TITLE, EARTHDAM SEEPAGE/FILNAME,SEEPAGE5/PLOPTS,DATE,0*DIM,TPRE,TABLE,11,1,1,PRESS,KKPE ! 定义水压与渗透系数的关系数组*TREAD,TPRE,PPPP,TXT ! 读入数组*DIM,NCON,ARRAY,4 ! 定义数组，用于存贮单元四个节点号/PREP7SMRT,OFFANTYPE,STATIC ! THERMAL ANALYSISET,1,PLANE55MP,KXX,1,1 ! 饱和状态下的渗透系数MP,KXX,2,1E-4 ! 完全干燥下的渗透系数，假设空隙水压力小于-10M时K,1,24,12K,2,24,0K,3,0,0K,4,28,12K,5,28,0K,6,52,0L,1,3L,1,2L,4,5L,5,6L,4,6LESIZE,ALL,,,24A,1,3,2A,1,2,5,4A,4,5,6MSHK,2 ! MAPPED AREA MESH IF POSSIBLEMSHA,0,2D ! USING QUADSAMESH,ALL ! MESH AREASNUMMRG,NODE ! MERGE NODES AT BOTTOM OF CAISSON*GET,N_MAX,NODE,,NUM,MAX ! 获得最大节点号*GET,E_MAX,ELEM,,NUM,MAX ! 获得最大单元号*DIM,N_TEMP,ARRAY,N_MAX ! 定义节点温度变量-总水头*DIM,N_PRE,ARRAY,N_MAX ! 定义节点压力水头变量!定义上游面总水头值LSEL,S,LINE,,1NSLL,S,1NSEL,R,LOC,Y,0,8D,ALL,TEMP,8 !定义上游面总水头值!定义下游面总水头值LSEL,S,LINE,,6NSLL,S,1*GET,N_NUM2,NODE,,COUNT*DIM,N_NO2,ARRAY,N_NUM2II=0*DO,I,1,N_MAX*IF,NSEL(I),EQ,1,THEN ! 判断节点是否选中II=II+1N_NO2(II)=I ! 存储渗流可能逸出点节点编号*ENDIF*ENDDONSEL,R,LOC,Y,0,8 ! 第一次计算，假设浸润线逸出点在8M高位置,与上游同高*GET,N_NUM,NODE,,COUNT ! 获得渗流出口节点总数*DIM,N_NO,ARRAY,N_NUM ! 定义变量,存储渗流出口节点编号II=0*DO,I,1,N_MAX*IF,NSEL(I),EQ,1,THEN ! 判断节点是否选中N_NO(II)=I ! 存储渗流出口节点编号*ENDIF*ENDDO*DO,I,1,N_NUMD,N_NO(I),TEMP,NY(N_NO(I)) ! 定义下游面总水头值*ENDDOALLSEL,ALLFINISH/SOLUSOLVEFINISH!第一次计算完毕!------------------------------------------------------------------------- !迭代计算CONUTT=20 ! 最大循环次数DD_HEAT=0.001 ! 前后两次计算，总水头最大允许计算差CHUK_ST=3 ! 出口边界条件重新设定的起始点CHUK_MAXY2=10E5 ! 临时变量，用于存储浸润线出口坐标*DO,COM_NUM,1,CONUTTDD_H=0/POST1SET,1*DO,I,1,N_MAX*IF,COM_NUM,GT,CHUK_ST+1,THENDD1=N_TEMP(I)*IF,ABS(DD1-TEMP(I)),GT,DD_H,THENDD_H=ABS(DD1-TEMP(I))*ENDIF*ENDIFN_TEMP(I)=TEMP(I) ! 计算节点温度（总水头）N_PRE(I)=N_TEMP(I)-NY(I) ! 计算节点压力，总水头-Y坐标*ENDDO*IF,COM_NUM,GT,CHUK_ST+1,THEN*IF,DD_H,LE,DD_HEAT,THEN*EXIT*ENDIF*ENDIF/PREP7! 重新给每个单元设定材料MATNUM=2*DO,I,1,E_MAX*DO,KK,1,4*GET,NCON(KK),ELEM,I,NODE,KK ! 获取单元四个节点编号*ENDDOTEMP_Y=(N_TEMP(NCON(1))+N_TEMP(NCON(2))+N_TEMP(NCON(3))+N_TEMP(NCON (4)))/4 !计算单元中心点平均温度RESS_T=TEMP_Y-CENTRY(I)*IF,PRESS_T,GT,0,THENRESS_T=0MPCHG,1,I*ELSEIF,PRESS_T,LT,-10,THENRESS_T=-10MPCHG,2,I*ELSEMP,KXX,MATNUM+1,10**TPRE(PRESS_T)MPCHG,MATNUM+1,IMATNUM=MATNUM+1*ENDIF*ENDDO! 重新设定出口边界条件*IF,CONUTT,GT,CHUK_ST,THEN !前CHUK_ST次采用原边界条件LSEL,S,LINE,,6NSLL,S,1DDELE,ALL,TEMP ! 删除原边界条件II=0CHUK_MAXY=0*DO,JJ,1,N_NUM2*IF,N_TEMP(N_NO2(JJ)),GE,NY(N_NO2(JJ)),THEND,N_NO2(JJ),TEMP,NY(N_NO2(JJ)) ! 总水头=Y坐标*IF,NY(N_NO2(JJ)),GT,CHUK_MAXY,THENCHUK_MAXY=NY(N_NO2(JJ))*ENDIF*ENDIF*ENDDO*IF,CHUK_MAXY2,NE,CHUK_MAXY,THEN ! 判断前后两次计算的浸润线出口位置是否相同NSEL,R,LOC,Y,CHUK_MAXY ! 选择最高节点*IF,CHUK_MAXY,GT,0,THENDDELE,ALL,TEMP ! 删除出口最高节点边界条件*ENDIFCHUK_MAXY2=CHUK_MAXY*ENDIF*ENDIFALLSEL,ALLFINI/SOLUSOLVEFINISH*ENDDOSAVE!迭代计算完毕，进入后处理FINISH/POST1/CLABEL,,1/EDGE,,0/CONTOUR,,8,0,1,8PLNSOL,TEMP ! 显示总水头云图PLVECT,TF, , , ,VECT,ELEM,ON,0PLVECT,TF, , , ,VECT,NODE,ON,0LSEL,S,LINE,,6NSLL,S,1PRRSOL,HEAT ! PRINT FLOWRATE THROUGH SOIL FSUM,HEAT ! 计算渗流量*GET,Q_DAY,FSUM,0,ITEM,HEATALLSEL,ALLSAVE*DO,I,1,N_MAXN_TEMP(I)=TEMP(I) ! 计算节点总水头（温度）N_PRE(I)=N_TEMP(I)-NY(I) ! 计算节点压力，总水头-Y坐标DNSOL,I,TEMP,,N_PRE(I) ! 将压力水头值复制到节点*ENDDOPLNSOL,TEMP ! 显示压力水头云图FINI。

基于ANSYS的土石坝稳定渗流场的数值模拟一、本文概述随着水利工程的日益发展，土石坝作为一种重要的水利结构，其稳定性与安全性受到了广泛关注。

渗流是土石坝中普遍存在的物理现象，对坝体的稳定性产生深远影响。

因此，对土石坝稳定渗流场的深入研究和分析具有重要的工程实践意义。

本文旨在利用ANSYS这一强大的工程模拟软件，对土石坝的稳定渗流场进行数值模拟，以期更准确地理解渗流对土石坝稳定性的影响，并为土石坝的设计、施工和维护提供理论支持和实践指导。

本文将简要介绍土石坝及其渗流现象的基本概念，阐述稳定渗流场研究的重要性和必要性。

然后，详细介绍ANSYS软件在水利工程中的应用，以及其在土石坝稳定渗流场数值模拟中的优势。

接下来，本文将详细描述数值模拟的过程，包括模型的建立、边界条件的设定、计算参数的选择等。

通过对模拟结果的分析和讨论，揭示土石坝稳定渗流场的特征和规律，为土石坝的安全稳定运行提供理论支撑。

本文的研究不仅有助于深化对土石坝渗流规律的理解，也有助于提升水利工程的设计水平和施工质量，为保障水利工程的安全运行提供有力支持。

二、土石坝渗流基本理论土石坝是一种利用当地石料、土料或混合料，经过抛填、碾压等方法堆筑成的挡水建筑物。

在土石坝的运行过程中，渗流是一个不可忽视的物理过程，它关系到坝体的稳定性和安全性。

因此，对土石坝渗流的基本理论进行深入研究，对于保障坝体安全、优化坝体设计具有重要意义。

渗流是指液体在固体骨架中通过孔隙或裂隙流动的现象。

在土石坝中，渗流主要受到重力、孔隙水压力、坝体材料性质以及边界条件等因素的影响。

当库水通过坝体向下游渗流时，会形成一定的渗流场。

这个渗流场是一个三维的空间分布，其中包含了渗流速度、渗流压力、渗流量等多个物理量。

土石坝的渗流场分析通常采用达西定律来描述渗流速度与渗流压力梯度之间的关系。

达西定律表达式为：v = -k * (dP/dx)，其中v为渗流速度，k为渗透系数，dP/dx为渗流压力梯度。

基于 ANSYS 泥石流拦挡坝设计软件的开发及应用王秀丽;李安民【摘要】为提高泥石流拦挡坝的设计水平,基于 ANSYS 二次开发技术编写了泥石流拦挡坝设计软件。

软件使用 UIDL 设计菜单系统,Tcl/Tk 绘制输入界面和 APDL 编写核心算法。

软件可完成正常使用条件、冲击条件和地震条件下的坝体抗滑移、抗倾覆以及地基承载力的模拟。

通过算例对比分析证明了软件的适用性,计算结果精确可靠,提高了工程师的工作效率,具有非常好的应用前景。

%In order to improve the design level of debris flow blocking dam,the ANSYS based secondary development technology has prepared the debris flow blocking dam design software.It uses UIDL to design menu system,and uses Tcl/Tk to draw input interface,and uses APDL to prepare core algorithm.The soft-ware can complete the dam body anti-sliding,antioverturning and bearing capacity of foundation soil under the normal using circumstances,shocking conditions and seismic conditions.Through the calculation exam-ples to make comparison analysis so as to demonstrate the applicability of the software,and the software calculation result is accurate and reliable.This program has improved the efficiency of engineers with prom-ising application prospects.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2016(028)005【总页数】5页(P56-60)【关键词】泥石流拦挡坝;ANSYS 二次开发;APDL;UIDL;Tcl/Tk【作者】王秀丽;李安民【作者单位】兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050; 西部土木工程防震减灾教育部工程研究中心，甘肃兰州 730050;兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050; 西部土木工程防震减灾教育部工程研究中心，甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TP391;TU359泥石流是一种严重的自然灾害,2010年8月7日甘肃省舟曲县爆发特大泥石流,灾害造成1 501人死亡,264人失踪,直接经济损失超过10亿元[1]。

基于ANSYS的土石坝渗流与稳定分析研究的开题报告一、研究背景和意义土石坝是一种重要的水利工程结构，其安全稳定性直接关系到人们的生命财产安全和社会经济发展。

而渗流问题是土石坝安全稳定性研究的重要内容之一。

在土石坝工程设计、施工和运行过程中，渗流问题一直是困扰工程师的难题，如何在渗流对土石坝安全稳定性产生影响的情况下，保证土石坝的安全运行是当前亟需解决的问题。

本研究利用ANSYS软件，通过有限元数值模拟方法，研究土石坝内部的渗流分析及土石坝的稳定性分析，旨在探讨土石坝渗流及其对稳定性的影响规律，为土石坝设计、施工和运行提供技术支撑和依据。

二、研究内容和方法本研究的主要内容有两个方面：一是土石坝内部渗流模拟及分析；二是土石坝稳定性分析。

具体通过以下步骤实现：1. 确定研究对象：本研究以某一具体土石坝为研究对象，对其渗流分析及稳定性进行模拟和分析。

2. 建立土石坝模型：根据实际情况建立土石坝三维有限元模型，包括坝体、坝基、边坡等，考虑土、石材料的物理力学特性。

3. 渗流模拟：对建立的土石坝模型进行渗流模拟，通过ANSYS中的多孔介质渗流模型，对土石坝内部流场进行数值计算和分析。

4. 渗流分析：根据渗流模拟结果，分析产生渗流的原因，判断坝体、坝基是否产生渗漏现象，并分析渗漏现象的破坏机理。

5. 稳定性分析：根据建立的土石坝模型，通过ANSYS有限元分析软件对土石坝的稳定性进行数值计算，分析坝体的变形、破坏状况，确定安全系数，预测土石坝的破坏条件。

三、预期成果和意义本研究通过ANSYS软件，对土石坝内部的渗流分析及稳定性分析进行研究，预期取得以下成果：1. 对土石坝内部渗流模拟及分析技术的研究与应用，提高土石坝设计、施工和运行的水平，为工程师在实际工程中提供技术支撑和依据；2. 对土石坝安全稳定性分析方法的探究和应用，为土石坝的安全设计和管理提供科学依据，提高工程的安全性和经济效益；3. 深入了解土石坝渗流及其对稳定性的影响规律，为水工、环境等领域的科研人员提供参考，促进相关学科的发展。

第5章ANSYS水利工程应用实例分析ANSYS是世界领先的工程仿真软件，可以在各个领域中进行应用，包括水利工程领域。

本文将以ANSYS在水利工程中的应用为例，分析其在水利工程设计和分析中的优点和应用。

水利工程是研究水资源的开发、利用和管理的学科，主要包括水文学、水资源规划、水电站设计、防洪和排涝等内容。

ANSYS可以在这些方面提供强大的仿真和分析能力。

首先，ANSYS可以进行水流、水文和水能分析，帮助水利工程师更好地了解水资源的流动规律和特性。

例如，在水文学中，可以使用ANSYS进行洪水模拟和预测，帮助评估洪水的影响和灾害风险。

在水能资源开发中，可以使用ANSYS进行流场和水力学分析，优化水电站设计，提高能源产出。

其次，ANSYS可以进行水力学分析和建模，帮助优化水利工程的设计和运行。

例如，在水坝和堤坝的设计中，可以使用ANSYS进行结构强度和稳定性分析，评估其抵抗洪水和水压的能力。

在水渠和管道设计中，可以使用ANSYS进行水流分析，优化渠道和管道的几何形状和布局，减少能耗和水浪损失。

此外，ANSYS还可以进行环境影响评估和水质模拟。

在水利工程建设和运营中，需要评估工程对环境的影响，例如对周围土壤、水体和生态系统的影响。

ANSYS可以进行环境模拟和预测，帮助设计和规划水利工程的环保措施和管理措施。

最后，ANSYS还可以进行防洪和排涝方面的分析。

在城市规划和建设中，需要考虑地表和地下水系统的排水问题。

ANSYS可以进行地下水流、水文和水力学模拟，帮助优化城市排水系统的设计，增强排涝能力，减少洪水和内涝的风险。

综上所述，ANSYS在水利工程中的应用非常广泛，可以帮助水利工程师进行水文学、水力学、结构力学和环境模拟等方面的分析和优化。

通过使用ANSYS，可以提高水利工程的设计效率和准确性，降低工程风险和成本，实现水资源的可持续开发和管理。

ansys在水利工程中的应用
ANSYS在水利工程中的应用非常广泛，主要包括以下四个方面：
1. 坝体稳定性分析：ANSYS可以模拟各种类型的大坝，并进行稳定性分析，预测大坝在不同水位和地震条件下的稳定性。

此外，还可以考虑土壤-结构相互作用，从而更加精确地预测坝体的变形和破坏特征。

2. 水力学模拟：通过ANSYS的CFD（计算流体动力学）模块，可以模拟水流在各种河道、水闸、泄洪口等水利工程设施中的流动情况，预测水位和流量的变化。

这对于水利工程设计和维护都非常重要。

3. 水利工程结构设计：ANSYS可以模拟水利工程中的各种结构，包括渠道、闸门、水轮机等等。

通过模拟和分析，可以评估不同设计的性能和可靠性，优化设计方案，提高结构的耐久性和安全性。

4. 水污染模拟：通过ANSYS的化学反应模块，可以模拟污水在河道中的传输与分散、水体中污染物的分布和扩散。

这对于研究水污染的传播规律和环境影响、设计相应的治理措施都有很大的帮助。

ANSYS在土石坝防渗加固分析中的应用土石坝是一种常见的水利工程结构，用于蓄水或防洪目的。

土石坝防渗加固是土石坝设计中非常重要的一环，其主要目的是防止坝体内的水从坝体内部泄漏出去，影响坝体的稳定性和使用寿命。

在土石坝防渗加固设计中，ANSYS软件可以发挥重要的作用。

1.坝体内水压分析：土石坝在蓄水或雨水侵蚀的情况下，坝体内部会产生水压力。

通过ANSYS软件可以对坝体内部的水压力进行分析，包括水压的大小、分布情况等。

这些信息对于设计合适的防渗加固措施非常重要。

2.渗流路径分析：土石坝防渗加固的设计需要准确地预测坝体内水的渗流路径。

通过ANSYS软件可以建立数值模型，模拟坝体内水通过不同部位的渗流路径，找出可能的渗漏点和路径，为加固设计提供参考。

3.加固材料力学性能分析：土石坝防渗加固通常涉及到各种加固材料，如混凝土、聚合物和土工合成材料等。

通过ANSYS软件可以对这些材料的力学性能进行分析，包括强度、刚度、变形等，为加固设计提供依据。

4.加固结构设计优化：在土石坝防渗加固设计过程中，需要确定合适的加固结构形式和参数。

通过ANSYS软件可以建立不同加固结构的有限元模型，进行受力分析和设计优化，找出最优的加固方案。

5.加固效果评估：在加固完成后，需要对加固效果进行评估。

通过ANSYS软件可以对加固后的土石坝进行受力分析和模拟，评估加固效果，判断是否满足设计要求。

综上所述，ANSYS在土石坝防渗加固设计中的应用具有重要意义。

通过ANSYS软件的分析和模拟，可以帮助工程师更准确地了解土石坝的受力和渗流情况，设计出更科学、安全、经济的防渗加固方案。

在实际工程应用中，工程师们可以借助ANSYS软件的强大功能，提高土石坝防渗加固设计的效率和可靠性，确保土石坝的安全运行和长期稳定性。

ANSYS在土石坝防渗加固中的应用浅析1 引言多頭小直径深搅桩防渗墙技术在近几年得到了较大范围的应用，但对其防渗效果工程界还无准确的定论。

本文运用ANSYS热分析模块，分析某土石坝防渗前后渗流量的变化，为多头小直径深搅桩防渗墙技术的推广提供一定的理论依据。

2 ANSYS分析渗流原理渗流本是复杂的三维应力场问题，但考虑到坝身长度远大于坝宽，可将其简化为二维问题加以研究。

假设坝体每层土体为各向同性并不可压缩，在稳定流作用下，渗流控制方程为：式中：、分别为、方向的渗流系数；为水头。

而热力学二维微分控制方程为：式中：、分别为、方向的热传导系数；T为温度。

由（1）式和（2）式可以看出，渗流场和热力场的控制方程相同。

同样，在边界条件、坡降、流量计算等方面两者也具有高度的一致性。

由此，不难看出渗流场其实是热力场的一种特殊情况，通过ANSYS热力学模块仿真模拟大坝渗流是合理的。

3 有限元模型建立及渗流系数反演3.1 有限元模型建立为了分析多头小直径深搅桩防渗墙技术防渗效果，选取某水库经多头小直径深搅桩防渗墙技术防渗后的典型断面CS01进行分析。

坝基土层分布如下：①层为粉质黏土，主要是人工填筑而成。

由于多次加高，碾压不实渗透严重；②层为粉质黏土，塑性较好，层内发现多处小孔，粉性局部略大。

上述两层为渗流发生主要区域；③层为粉质黏土夹粉土；④层为粉质黏土，其下部为完整基岩，可视作不透水层。

通过ANSYS 的APDL命令输入各关键点坐标，然后分别创建线和面建立大坝平面模型。

采用PLANE55三角形单元，通过独立土层单独划分网格并对可能逸出点所在位置附近进行网格局部加密。

防渗加固前建立了2009个节点、3737个单元，加固后建立了2026个节点3771个单元。

加固前后的有限元网格划分见图1：3.2 渗流系数反演由于该水库修建时间较早，随着时间的推移，地质条件等均会发生一定的变化，如果依然采取原有勘察资料所确定的渗流系数则存在失真的风险。

基于ANSYS的复杂地质条件下大型渗流场计算水电站设计DHPS第26卷第4期2010年12月基于ANSYS的复杂地质条件下大型渗流场计算段斌,何江达,王瑶(1.国电大渡河流域水电开发有限公司,四川成都610041;2.四川大学水利水电学院,四川成都610065;3.四川电力进出口公司,四川成都610061)摘要:利用ANSYS温度场分析模块计算大岗山水电站复杂地质条件下的大型渗流场,取得了较好的效果.关键词:ANSYS软件;渗流场;计算方法;应用软件;大岗山水电站中图法分类号:TV223.6文献标识码:B文章编号:1003—9805(2010)04—0042—04 1ANSYS进行渗流分析的理论基础1.1ANSYS软件基本情况ANSYS软件是融结构,热,流体,电磁,声学于一体的大型通用有限元分析软件.该软件具有强大的前处理及后处理功能,它的图形界面和交互式操作大大简化了计算模型的创建过程,同时在计算之前,可通过图形显示来验证模型的几何形状,材料及边界条件;在后处理中,其计算结果可以采用多种方式输出,比如计算结果排序和检索,彩色云图,等值线,动画显示等等.与其他通用软件比较,其前,后处理功能优于同类型的软件.ANSYS为我们提供了一个优良的工作环境,使我们从繁琐,单调的常规有限元编程中解脱出来.该软件可以进行热,电, 磁,流体和结构等有限元分析,并可以进行多物理场耦合分析.由于渗流场和温度场可以互相比拟,故采用ANSYS的温度场分析功能进行渗流场的计算,可以取得很好的效果¨.1.2ANSYS温度场分析模块分析渗流场理论基础温度场与渗流场之间具有理论基础相似,微分方程相似,初始条件与边界条件的相似等特点. ANSYS中渗流场与温度场各种相应量比较见表1[一422ANSYS参数化设计语言及其在本文中的运用ANSYS参数化设计语言(ANSYSParameter DesignLanguage,简称APDL)是一种可用来自动完成有限元常规分析或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言,用建立智能化分析的手段为用户提供自动完成有限元分析过程,即程序的输入可设定为根据制定的函数,变量以及选用的分析类型来做决定,是完成优化设计和自适应网格的最主要的基础_5J.APDL允许复杂的数据输入,使用户实际上对任何设计或分析属性有控制权,例如尺寸,材料,荷载,约束位置和网格密度等...APDL有以下功能:(1)参数;(2)表达式和函数;(3)分支和循环;(4)重复功能和复写;(5)宏;(6)用户子程序.APDL有很多优点,其中之一是可以利用AP-DL从事二次开发.本文借助APDL编制了相应的APDL模块来自动迭代计算出渗流边界和自由面.为了便于与结构计算网格相对应,计算中采取了固定网格法(不变网格法).其中干燥区(自由面以上的区域)的渗透系数取很低的值(本文在具体计算时,干燥区渗透系数取1.0X10cm/s),从而可以实现干燥区和饱和区进行联立统一求解,避免了干燥区渗透系数取为0时导致渗透矩阵奇异而无法进表1ANSYS中渗流场与温度场各种相应量的比较收稿日期:2009一O2—25作者简介:段斌(1980一),男,四川绵阳人,工程师,主要从事水电工程技术和管理工作.行求解.具体计算时,首先将整个计算域视为饱和区,已知的边界条件以实际作用范围输入到计算模型中,通过反复迭代便可最终确定自由面位置.3工程应用3.1工程概况大岗山水电站是大渡河干流规划中的第十四级电站,位于四川省雅安市石棉县境内.工程等级为一等大(1)型工程,开发任务以发电为主,电站总装机容量2600MW,设计多年平均发电量114.3亿kW?h.水库正常蓄水位1130m,总库容7.42亿Ill,调节库容1.17亿IIl,具有日调节能力.电站枢纽工程由最大坝高210m的混凝土双曲拱坝,左岸地下厂房,右岸泄洪洞等组成.3.2地质条件大岗山水电站坝址区河段呈"Q"形嵌入河曲,两岸山体雄厚,谷坡陡峻,河谷狭窄且对称.坝址区地层岩性较为单一,主要为澄江期酸性花岗岩,辉绿岩脉(13)等穿插发育于花岗岩中.厂坝区发育的岩脉,断层众多,其产状以近河流向(NE,SN或NW向)中陡倾角发育为主,垂河流方向(近EW向)发育较少.另外,坝址区还发育有多组裂隙.坝址区发育的岩脉(断层)和多组裂隙共同构成了厂坝区地下水的渗流通道.3.3天然渗流场反演天然渗流场反演分析的目的主要为了确定大岗山水电站三维渗流场的边界水位及岩体的渗透参数, 作为运行期渗流场研究的依据.大岗山水电站天然渗流场反演分析的方法和主要结论参见文献[7].通过反演分析,厂坝区各类岩体的渗透张量见表2.3.4运行期渗流场计算3.4.1计算模型根据大岗山水电站厂坝区主要水工枢纽布置,防渗帷幕布置,排水幕和排水廊道布置情况以及地质地形条件,并考虑计算域的边界效应,三维渗流场有限元计算范围上游取至导流洞进El位置,下游取至导流洞出口位置,顺河向长度约883.0m;横河向左侧边界取至地下厂房洞室群所在的地形分水岭附近,右侧边界取至靠近地形分水岭位置,横河向长度约1423.8m;垂直方向底面取至海拔615.0m.有限元计算坐标定义为:轴:顺河流方向,从上游指向下游为正,轴向方位为SW238.;y轴:垂直河流方向,从右岸指向左岸为正,轴向方位为SE148.;z轴:与x和y垂直,且Z=x×Y,铅直向上.表2厂坝区各向异性岩体的渗透张量雾[芝主.../萎cm~曩s一-1.01×10_41.一等透水组裂隙【对称L822.96.L56m.:3.57x10-4:2.04x10-5.圳.,圳一弱透水组裂隙【对称…;:J………s整个计算域大部分采用空间八节点等参单元进行离散,局部考虑材料介质过渡和地形变化等因素退化为三棱柱和四面体单元,其中运行期计算域共离散为53959个单元和54957个节点.运行期三维网格图见图1,2.3.4.2排水洞(廊道),排水幕的模拟及有关材料的渗透系数在计算模型中,排水洞(廊道)的位置和范围都以节点形式详细模拟.由于排水洞(廊道)在正常运行工况基本不存在失效和出现阻塞的情况,因此其水头按排水洞(廊道)所在高程约束,在迭代计算时,根据排水洞(廊道)是否有排水流量和其水头与位置势是否相等这两个条件来计算渗流自由面. 排水幕的排水效果是通过等效结构面的等效渗透系数来体现的,等效结构面在计算模型中被准确模拟出来,排水幕的等效渗透系数,见表3,主要图1大岗山厂坝区运行期渗流场三维有限元网格43图2大岗山厂坝区运行期坝体+灌浆帷幕+地下厂房三维网格受排水孔尺寸,间距和排数的影响.防渗帷幕在计算模型中以单元形式模拟,有关材料的渗透系数见表4.表3各渗控方案排水幕的等效渗透系数表4设计提供运行期厂坝区部分材料的渗透系数cm/s3.4.3运行期厂区渗流场分析厂区典型剖面的地下水位等势线图,渗透压力等值线图和厂坝区枢纽整体模型的地下水水位(自由面)等值线分别见图3,4.经分析可知:(1)从图3可以看出,由于厂区顺河向防渗帷幕,帷幕后的排水幕(两排)和4层排水廊道(高程1032m,987m,957m,931.4m)的"前堵后排"作用,库水向厂区渗流的自由面在防渗帷幕之后附近显着降低.另外,由于B岩脉的渗透系数远大于周围岩体的渗透系数,防渗帷幕在靠近库水一侧的自由面也有一定的降低.厂区三大洞室中,地下厂房,主变室周边地下水位线较低;对应的外水压力较小,而调压室周边地下水位线相对较高;外水压力相对较大,主要受靠山内一侧的边界水位和运行期调压室水位影响所致.(2)从图4可以看出,靠山内侧的调压室,由于防渗帷幕没有延伸至调压室,而仅有987m高程的排水廊道排水作用,在山体内较高的天然地下水渗流作用,调压室上游侧的地下水位线较高;渗透压力较大,而主变室和地下厂房所在区,虽然山体天然地下水位较高,但是由于上游侧的防渗帷幕,灌浆廊道和4层排水廊道(1032m,987m,957m,931.4m)的"前堵后排"作用,在主变室和地下厂房上游侧地下水位线显着降低,渗透压力也较小.(3)计算成果表明,设计方案的防渗,排水措施能有效地降低厂区三大洞室(尤其是地下厂房和主13t512i51Il5鲁1015\9159157l56I50lO02002004005006007008009000lO0200300400500600700800900 图3运行期厂区三大洞室横剖面水位/渗压等值线∞撕∞啪鲁\13151215llt5吕]015\,158I57】56佰埘5I￡l5【llj蛊i.15\N翱58巧7156】5图4运行期厂区主机间纵剖面水位/渗压等值线变室)周边的地下水位线,厂区三大洞室周边承受的外水压力不大,调压室底部最大压力水头约50m, 地下厂房最大压力水头约10m,而主变室基本位于干燥区,表明设计方案的渗控效果显着.(4)计算成果还表明,厂区1032m高程的排水廊道基本处于干燥区,其对厂区高高程的排水作用不大,可以考虑取消.3.4.4运行期坝区渗流场分析坝区典型剖面的地下水位等势线和渗透压力等值线见图5.经分析可知:(1)由于坝基防渗帷幕对岩体,尤其是坝肩较高高程的弱透水岩体段的阻渗作用,以及帷幕之后排水幕和坝肩排水洞的强排水作用,坝基帷幕前后的水头损失很大,排水幕之后的坝底扬压力很小,坝基建基面925m高程排水幕处扬压力水头减小约90m,位于两岸坝肩中部的坝底扬压力水头减小约120～150m,位于两岸坝肩上部的坝底扬压力水头O10O啪300枷5006o0700800减小约80—100m.(2)坝后水垫塘左岸抗力体排水洞区的自由面位置较低,右岸抗力体排水洞区的自由面位置较高. 由于坝体部位的帷幕,排水幕和排水洞的"前堵后排"作用,使得坝后水垫塘两岸抗力体所在区域的地下水渗流主要受两岸岩体中天然地下水位(右岸高,左岸低)控制.3.4.5运行期厂坝区渗流量通过厂坝区三维渗流场计算,可以获得前述不同计算方案通过厂区排水廊道,地下洞室,防渗帷幕,坝区排水廊道,抗力体排水洞的渗流量,见表5. 4结论(1)本文以大型通用有限元计算软件ANSYS为平台,使用ANSYS温度场分析模块,并用APDL 编制了相应的计算程序,计算了三维渗流场.该方11151015g们5\B157l66150lo0瑚300400500600700800X/mX/m(a)渗压等值线(b)水位等势线图5运行期坝体最大横剖面水位和渗压等值线表5运行期厂坝区各部位渗流量m./d(下转第54页)45图5材料赋值,施加约束和荷载后的有限元模型(a)主压应力等值线p0¨E~zaphic￡图6典型等值线esel,S,elem,,1,1081单元选择sfgrad,pres,,Z,2520.00,一9810.001水荷载施加sfe,all,1,pres(7)计算成果检查.根据已经建好的三维拱坝模型进行线弹性有限元计算,典型的位移,应力等值线见图6.,经与拱梁分载法计算成果比较,其分布规律和拱梁分载法吻合良好,极值差别不大,有限元计算结果可靠.5结语根据ANSYS有限元软件的内在规定,用编程语言编制大坝ANSYS---维模型自动建立的方法和(b)顺河向位移等值线p.'地0r●phjc●思路,能大幅节约建模时间,提高工作效率.(1)直接进行节点,单元建立的三维模型建立方法,节点,单元可根据需要随意调整,且不易发生单元奇异,有利于后面的计算收敛,减少奇异单元检查工作.(2)合理的单元规划很重要,根据建筑物的重要性和受力特点进行单元划分分组,并以每一组单元的交界作为单元控制面进行不同组单元的衔接, 单元的疏密能满足计算的要求,单元编号有序,更易控制.(3)前处理采用生成ANSYS命令流文件的方式进行模型材料的赋值,约束及荷载的施加,方便,准确,且便于修改.(上接第45页)法将ANSYS软件与复杂渗流场计算结合起来,方便人们进行大型复杂模型的建模和后处理工作,所建立的有限元计算模型不仅适用于渗流场的计算,还可用于应力场的计算.(2)大岗山水电站地质情况复杂,运行期厂坝区渗流场计算模型复杂,单元众多,渗控措施模拟难度大,采用ANSYS温度场分析模块后,由于其强大的前处理,后处理,二次开发的功能,可以较方便地对大岗山水电站厂坝区渗流场进行模拟计算,并取得较好的效果.参考文献:54[1]ANSYS中国公司.ANSYS高级技术分析指南[M].北京:美国ANSYS北京办事处,2005.[2]任辉启.ANSYS7.0工程分析实例详解[M].北京:人民邮电出版社,2004.[3]李景涌.有限元法[M].北京:北京邮电大学出版社,1999.[4]李军华.大坝渗流监测系统设计及渗流计算机模拟[D].郑州:郑州大学,2004.[5]龚曙光,谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京: 机械工业出版社,2004.[6]刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,20o5.[7]唐正州,段斌,何江达,等.大岗山水电站厂坝区三维天然渗流场反演分析[J].四川水利,2007,(1).。

ANSYS 耦合算法在土石坝中的应用赵波1，闫滨1，张传传2（1.沈阳农业大学水利学院，沈阳110866；2.辽宁省清河水库管理局，辽宁铁岭112003）摘要：简要介绍耦合算法及其在ANSYS 中的使用规则，应用ANSYS 软件的二次开发功能，使渗流场和非线性的应力场耦合计算得以实现。

介绍温度场转换为渗流场的方法，探讨使用直接法耦合分析土石坝的双场特性，为ANSYS 耦合算法在土石坝中的应用提供参考。

关键词：ANSYS ；耦合；土石坝；非线性中图分类号：TV641文献标识码：A文章编号：1674-1161(2012)04-0035-031ANSYS 软件的耦合功能简介ANSYS 软件具有强大的耦合计算功能。

在不同的耦合计算中，需要提供物理参数和环境，并对退化单元做适当处理。

在热—结构耦合计算中，需要对结构单元进行适当的转换。

在结构单元发生明显变形的情况下，要获得耦合场的收敛解，就必须更新非结构区域内的网格单元。

在ANSYS 中，这种调整被称为网格随移。

需要注意的是，在执行随移命令前，结构分析的位移结果必须在数据库中。

ANSYS 中的耦合运算基本上是在物理环境中进行的。

物理环境包括单元类型及KEYOPT 设定、实常数、材料属性、单元坐标系、求解分析选项、约束方程、耦合节点集、施加的边界条件和载荷、GUI 过滤设置及分析标题。

在ANSYS 中，最多可设置9个物理环境。

物理环境是耦合运算的基础，可以进行不同的耦合运算。

2耦合算法概述耦合场分析是考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。

耦合场分析类型以耦合的物理场分析过程为基础，其分析方法可分为两大类：顺序耦合和直接耦合。

2．1顺序耦合法顺序多场耦合是指对两个或多个互相作用的工程学科进行综合分析，求解一个实际的工程问题（物理分析）。

当一个物理分析的边界条件包含其他分析结果时，则分析是耦合的。

每一种属于某一物理场分析。

通过将前一个分析的结果作为载荷，施加到第一个分析中进行耦合。

第5卷第4期2007年12月水利与建筑工程学报Journal of Water Resources and Architectural EngineeringVol.5No.4Dec.,2007收稿日期:2007205223 修稿日期:2007206221作者简介:戴跃华(1980—),男(汉族),福建漳州人,助理工程师,工学硕士,主要从事水工结构三维仿真计算与研究。

ANS YS 在土石坝有限元计算中的应用戴跃华,薛继乐(广东省水利电力勘测设计研究院,广东广州510170)摘　要:利用ANSYS 提供的APDL 语言二次开发平台编制相应的程序建立土体的邓肯张模型(简称E-B 模型),以模拟土体的实际特性,并应用到深圳铜锣径水库风化土心墙石渣坝的实际工程计算中。

计算结果表明所编制的程序满足土石坝有限元计算的数值要求,较好的反映了土石坝的实际应力、变形规律。

关键词:ANSYS ;土石坝;E -B 模型;应力;位移中图分类号:TV641 文献标识码:A 文章编号:1672—1144(2007)04—0074—03Application of ANSYS in Finite Element Anslysis of E arth 2rockf ill DamDAI Yue 2hua ,XU E Ji 2le(Guangdong Investigation and Design Institute of W ater Conservancy and Elect ric Power ,Guangz hou ,Guangdong 510170,China )Abstract :In order to simulate the practical characteristic of a earth mass ,Dengken 2zhang Model (namely E -BModel )is formed on the basis of the second development of APDL language which is provided by ANSYS ,and is used in the engineering computation of the earth 2rockfill dam in Tongluojing Reservoir of Shenzhen City.The results indicate that the compiled program can fulfill the requrements of the numerical calculation and the laws of stress and displacement of the earth 2rockfill dam.K eyw ords :ANSYS;earth 2rockf ill dam;E -B Model ;stress;displacement0　前　言土石坝是应用很广的一种坝型,具有就地取材、结构简单、施工方便、造价低等优点,而且能适应各种地质条件。