基于断裂力学的蜗壳裂缝扩展数值模拟分析

论文摘要

直埋式蜗壳是由钢衬和外围钢筋混凝土联合承载的蜗壳结构形式。在内水压力作用下,蜗壳外围混凝土会出现不同程度的裂缝,而在动态水击压力、最大内水压力等各种工况下,蜗壳外围混凝土还可能会出现贯穿性裂缝。蜗壳裂缝最先产生于贴近钢衬的外围混凝土内部,无法用肉眼直接观测,也很难由观测仪器捕捉,这给试验研究裂缝的起裂和扩展过程带来了巨大的难度。蜗壳裂缝的数值模拟多以混凝土的极限抗拉强度准则作为外围混凝土开裂的判别标准,此准则没能考虑裂缝尖端的应力集中现象,与实际情况有所不符。针对这一问题,本文运用混凝土断裂力学理论,充分考虑裂缝尖端的奇异性,采用基于应力强度因子的断裂准则,作为裂缝开裂的评判标准。使用ANSYS软件中的APDL语言编写混凝土裂缝扩展计算程序,模拟蜗壳外围混凝土的裂缝扩展过程。为了实现蜗壳裂缝的断裂扩展模拟,本文主要取得了以下几个方面的研究成果：1.根据断裂力学中的虚拟裂缝模型理论,建立三点弯曲梁的平面应力有限元模型,在断裂过程区中施加粘聚力,使用APDL语言编写混凝土Ⅰ型断裂扩展程序,模拟了四根三点弯曲梁的裂缝扩展过程。对数值模拟结果与试验结果进行了比较分析,验证了混凝土Ⅰ型断裂扩展程序的可靠性。2.在Ⅰ型三点弯曲梁裂缝扩展程序的基础上,引入断裂角的概念,判断Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的扩展方向,重新修改程序使其能够模拟Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的扩展过程。本文模拟了一根典型四点剪切梁的裂缝扩展过程,并与试验结果进行了比较。结果表明,数值模拟结果与试验结果吻合较好,程序可以较好地模拟Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的扩展。3.蜗壳外围混凝土裂缝基本为Ⅰ-Ⅱ型复合裂缝。本文在蜗壳外围混凝土内部设置初始裂缝,应用虚拟裂缝模型理论建立平面轴对称有限元模型,采用上述程序计算了直埋式蜗壳外围混凝土裂缝的扩展过程。计算结果表明：断裂力学理论中的虚拟裂缝模型可以很好地模拟蜗壳内部裂缝的整个断裂扩展过程,得到单一裂缝的内水压力-裂缝口张口位移（裂缝口宽度）曲线；通过引入断裂角的概念,得到蜗壳裂缝扩展的准确路径,直埋式蜗壳子午断面内裂缝扩展的主要方向为通过蜗壳中心的径向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 蜗壳结构形式及其特点
• 1.3 国内外水电站蜗壳发展状况
• 1.3.1 国内发展情况
• 1.3.2 国外发展情况
• 1.4 蜗壳外围混凝土裂缝研究现状及存在的问题
• 1.4.1 蜗壳外围混凝土裂缝研究方法
• 1.4.2 蜗壳外围混凝土裂缝研究存在的主要问题
• 1.5 本文研究内容
• 2 基本理论与方法
• 2.1 混凝土断裂力学
• 2.1.1 混凝土断裂力学的产生和发展
• 2.1.2 虚拟裂缝扩展粘聚力模型
• 2.1.3 裂缝的基本形式
• 2.1.4 复合型裂缝的断裂准则
• 2.1.5 ANSYS中应力强度因子K的计算方法
• 2.2 平面应力状态与平面应变状态理论
• 2.2.1 平面应力状态
• 2.2.2 平面应变状态
• 2.3 接触问题有限元基本原理
• 2.3.1 接触问题的分类
• 2.3.2 接触问题有限元求解方法
• 2.4 APDL语言程序
• 3 混凝土梁的断裂模拟及程序的编写
• 3.1 研究思路
• 3.2 三点弯曲梁的Ⅰ型断裂模拟
• 3.2.1 模型及材料参数
• 3.2.2 ANSYS模拟混凝土梁Ⅰ型裂缝扩展的具体步骤
• 3.2.3 数值计算流程
• 3.2.4 数值计算结果与实验结果的比较
• 3.3 四点剪切梁的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂模拟
• 3.3.1 断裂程序的修改
• 3.3.2 数值计算结果与实验结果的比较
• 3.4 结论
• 4 蜗壳外围混凝土的断裂扩展模拟
• 4.1 研究思路
• 4.2 蜗壳有限元模型的建立
• 4.2.1 工程简介及建模范围
• 4.2.2 断裂参数与材料参数
• 4.2.3 荷载与边界条件
• 4.2.4 基本假定
• 4.2.5 计算模型
• 4.3 蜗壳裂缝扩展计算流程
• 4.4 数值计算结果与分析
• 4.4.1 不同位置初始缝对蜗壳裂缝断裂特性的影响
• 4.4.2 不同长度初始缝对蜗壳裂缝断裂特性的影响
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢