基于CAE的橡胶坝设计研究

论文摘要

橡胶坝作为一种新型的低水头坝体结构,以其坝高可调节,坝顶可溢流,造价低、节省材料、环保、施工期短、结构简便等优点,得到了广泛的推广。现阶段国内橡胶坝工程设计中,所采用的橡胶坝设计方法更多的是依靠经验等进行设计。随着橡胶逐渐由低位小跨度向高位大跨度发展,需要完成橡胶坝设计过程从粗略估算到精确分析的转变,提高坝体设计质量,降低开发成本和缩短开发周期,从而进一步提高企业竞争力,做强做大我国的橡胶坝产业。本文从应用研究出发,运用现代CAE设计方法对橡胶坝的静态强度和动态特性进行了初步研究。具体研究内容包括:1.橡胶坝坝体结构的分析与设计理论。从橡胶坝的薄膜内力和平面问题两个基本假设出发,阐明坝体在不同的承载工况下的坝袋拉力理论。并按照坝袋的几何性质导出坝体截面各段曲线方程,拟合出坝体截面的曲面外形,为坝体整体的CAE建模和加载计算分析做好准备工作。2.坝体结构静强度有限元分析。根据橡胶坝坝体材料和结构承载特点,采用坝袋Mooney-Rivlin材料模型和薄膜结构有限单元法,对橡胶坝体进行静态有限元计算分析,并对坝体结构设计方案进行探讨研究。3.橡胶坝坝体流固耦合模态分析。利用有限元分析软件ANSYS和流固耦合理论,对斜墙式橡胶坝坝体试验模型进行振动模态分析,研究橡胶坝的动态特性,为坝体的工程设计施工提供理论依据。4.橡胶坝坝体风载分布及响应分析。通过对坝体承受风载问题进行简化,在不考虑坝体膜单元局部变形的情况下,依据风载荷基本理论,推导出坝体表面风载荷分布规律,运用有限元分析软件对坝体进行整体风载响应分析。通过以上对橡胶坝技术的分析研究,从而不断完善橡胶坝的设计理论和设计方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外橡胶坝的发展状况
• 1.1.1 国外橡胶坝发展状况
• 1.1.2 我国橡胶坝技术发展状况
• 1.2 本文的主要研究内容
• 第二章 薄膜结构的非线性有限元理论
• 2.1 基本定义
• 2.1.1 变形的定义和描述
• 2.1.2 应变的定义和分类
• 2.1.3 应力的定义和分类
• 2.2 几何非线性的有限元方法
• 2.2.1 全拉格朗日（T.L 法）
• 2.2.2 修正拉格朗日（U.L 法）
• 2.3 膜单元有限元平衡方程建立
• 2.4 薄膜结构的受力分析
• 2.4.1 薄壳无矩理论的基本方程
• 2.4.2 小垂度薄膜结构的基本方程
• 第三章 橡胶坝坝体结构的分析与设计理论
• 3.1 坝体拉力理论
• 3.1.1 基本假设
• 3.1.2 坝体极限承载工况
• 3.1.3 坝体断面内力的确定
• 3.2 坝体几何设计
• 3.2.1 断面周长及各段曲线方程计算
• 3.2.2 断面面积的计算
• 3.3.3 坝体设计原则
• 3.3 坝体的螺栓压板锚固
• 3.3.1 橡胶坝螺栓压板锚固技术存在的主要问题
• 3.3.2 锚固件计算及分析
• 第四章 坝体结构静强度有限元分析
• 4.1 坝袋橡胶材料模型
• 4.1.1 橡胶材料本构关系
• 4.1.2 材料常数的实验测试与确定
• 4.1.3 坝袋材料拉伸实验
• 4.2 坝体建模
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 坝体截面方程
• 4.3 坝体有限元分析
• 4.3.1 单元属性
• 4.3.2 模型加载
• 4.3.3 计算结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 橡胶坝坝体流固耦合模态分析
• 5.1 壳体与流体的耦合振动
• 5.1.1 壳体与内流体的耦合振动
• 5.1.2 壳体与外流体的耦合振动
• 5.2 斜墙式坝体试验模型模态计算及测试分析
• 5.2.1 流体-结构耦合界面（FSI）处理
• 5.2.2 坝体模态提取的非对称法
• 5.2.3 坝体试验模型的建立
• 5.2.4 坝体动力学计算结果
• 5.2.5 坝体试验模型动力学测试
• 5.2.6 小结
• 5.3 直墙式橡胶坝试验模型模态计算
• 5.4 本章小节
• 第六章 橡胶坝坝体风载分布及响应初步分析
• 6.1 坝体承受风载荷取值
• 6.2 坝体动载计算
• 6.2.1 不考虑流固耦合作用下的坝体动强度分析
• 6.2.2 考虑流固耦合作用下的坝体动强度分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与研究展望
• 7.1 主要研究成果
• 7.2 研究工作展望
• 7.2.1 橡胶坝疲劳寿命分析
• 7.2.2 橡胶坝坝袋橡胶复合材料结构设计
• 7.3 论文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间参加的课题研究