基于ABAQUS的船闸闸首结构有限元分析

论文摘要

船闸闸首作为船闸工程的重要组成部分,闸首结构计算的准确度对保证船闸设计的合理性起着决定性作用。本文采用解析法和三维实体非线性有限元法求解船闸闸首结构内力,并分析计算结果对船闸闸首结构安全性、稳定性等的影响。具体工作如下:(1)掌握国内外船闸闸首的结构计算方法,结合嘉陵江新政船闸工程,借助大型有限元软件ABAQUS建立三维有限元模型并进行非线性数值计算;分析不同工况下闸首结构的应力应变的分布特征,对比解析法和非线性有限元法对闸首外边墩的计算结果,验证模型建立和计算结果的准确性。(2)利用单因素分析法,结合非线性有限元法的计算成果,对影响闸首结构受力的主要因素逐一进行分析,结果表明:在其他条件不变的情况下改变闸门前后水位差,闸首边墩位移较底板位移变化大;水位差的变化在顺水流方向的影响较垂直水流方向对闸首边墩位移影响大;水位差达到一定值时,水压力达到闸首结构间的最大静摩擦力,闸首边墩底板的位移增幅开始变大,位移变化曲线出现拐点。回填土坡比减小时,边墩和底板位移有减小的趋势,但是变化比较小;土体强度参数粘聚力C和内摩擦角φ与边墩应力位移之间均存在很强的相关关系。(3)利用数值分析的方法对土体强度参数进行分析,并结合有限元法计算成果,寻求影响因素与边墩结构应力和位移之间的拟合函数,通过分析得到适用于描述闸首结构土体强度参数粘聚力C和内摩擦角φ与闸首边墩应力、位移之间关系的拟合公式如下:粘聚力C与边墩应力: (?)粘聚力C与边墩位移: (?)内摩擦角φ与边墩应力:(?)内摩擦角φ与边墩位移: (?)与边墩应力: (φ)与边墩位移:(4)单因素拟合分析成果表明,粘聚力C与边墩位移之间相关性强于粘聚力C和边墩应力之间的相关性,而内摩擦角φ与边墩应力之间的相关性强于内摩擦角φ和边墩位移之间的相关性;内摩擦角φ与边墩应力、位移之间的相关性较粘聚力C与边墩应力、位移之间的相关性更强;相比单因素拟合分析,考虑双因素粘聚力C和内摩擦角φ共同作用时,与闸首边墩的应力、位移之间相关性更强。(5)通过拟合分析,定量表述粘聚力C和内摩擦角φ与边墩应力位移之间的关系,较好地实现了定性分析到定量分析的过渡,为分析多因素交互作用对闸首结构的影响提供了新思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 船闸国内外研究进展
• 1.2 闸首简介
• 1.2.1 闸首主要结构型式
• 1.2.2 闸首结构布置及构造
• 1.3 闸首结构设计研究现状
• 1.4 闸首结构设计中存在的问题
• 1.5 问题的提出
• 1.6 本文主要研究内容
• 第二章 船闸闸首结构内力的解析法计算
• 2.1 工程概况
• 2.1.1 船闸工程地质
• 2.1.2 船闸闸首布置
• 2.2 闸首结构的内力分析
• 2.2.1 整体式结构闸首的内力分析
• 2.2.2 分离式结构闸首的内力分析
• 2.2.3 抗震设计
• 2.3 船闸闸首结构解析法计算
• 2.3.1 正常运用工况
• 2.3.2 检修工况
• 2.3.3 完建情况
• 2.3.4 检修+地震工况
• 2.4 本章小结
• 第三章 非线性有限元法基本理论
• 3.1 引言
• 3.2 ABAQUS 有限元软件介绍
• 3.2.1 ABAQUS 软件
• 3.2.2 ABAQUS 分析模型的组成
• 3.2.3 ABAQUS 有限元分析流程
• 3.3 非线性有限元基本理论
• 3.3.1 材料非线性
• 3.3.2 几何非线性
• 3.3.3 接触非线性
• 3.3.4 非线性问题的求解
• 3.3.5 本构模型选取
• 3.4 本章小结
• 第四章 船闸闸首结构非线性有限元分析
• 4.1 模型建立及网格划分
• 4.1.1 模型建立
• 4.1.2 网格划分
• 4.2 加载及效应组合
• 4.3 初始地应力平衡分析
• 4.3.1 地基承载力分析
• 4.3.2 地基沉降分析
• 4.4 不同工况下闸首结构应力变形分析
• 4.4.1 完建工况
• 4.4.2 正常运用工况分析
• 4.4.3 检修工况分析
• 4.4.4 检修+地震工况分析
• 4.5 计算比较
• 4.5.1 应力计算结果对比
• 4.5.2 位移计算结果对比
• 4.6 本章小结
• 第五章 船闸闸首结构主要影响因子分析
• 5.1 结构优化影响因子
• 5.2 船闸闸首结构优化分析
• 5.2.1 回填土强度参数分析
• 5.2.2 不同水位差位移影响分析
• 5.2.3 不同回填土坡比位移影响分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果