一种重力坝转折坝段有限元模型的快速建模方法与流程

1.本发明涉及一种重力坝转折坝段有限元模型的快速建模方法，属于水利水电工程领域。


背景技术：

2.在重力坝的体型设计中，为了适应河谷形状和建基面的地形条件，有时会布置转折坝段，用于连接大坝的挡水坝段和进水口坝段，相关文献显示，龙滩水电站(陈灯红,彭刚,周丽娜,等.龙滩水电站左岸拐弯坝段动力结构分析研究[j].中国农村水利水电,2007(8):111-116.)、丹江口水电站(汪迎春,朱进刚,张光林,等.丹江口水库右岸转弯坝段反向变形现象分析[j].东北水利水电,2006,24(1):31-32.)、黄登水电站(高登山,李先高,王俊峰.采用三维实体在黄登大坝混凝土计量中的应用[j].云南水力发电,2017,33(5):128-131.)等都采用了类似的布置方案。
[0003]
相较于常规的挡水、泄水坝段，转折坝段的体型变化较大，受力情况复杂，形状不规则，通常上游面窄而下游面宽，对施工期温控防裂、运行期静动力分析等均会造成不利影响，这一问题在高海拔高寒等气候恶劣地区和高地震烈度地区尤为显著。因此，充分重视转折坝段在施工、初蓄和运行期的温度、变形和应力的时空分布和演化情况，利用有限元等分析工具，通过全坝全过程仿真，针对性的开展温控防裂分析、静动力分析等，个性化制定温控方案和调控措施具有重要工程意义。
[0004]
构建转折坝段的有限元模型是开展仿真分析的前提条件，现有技术是采用ansys、hypermesh等通用建模软件，先根据设计图纸构建出重力坝各坝段的几何实体模型，然后根据有限元剖分规则，进行实体切分和网格剖分。常规坝段的体型较为规整，几何实体构建、切分和网格剖分较易实现，但对于转折坝段而言，应用现有技术时，必须先通过布尔运算等操作，构建出含有转折部分和投影部分的几何实体模型，然后再进行实体切分和网格剖分，含有转折部分和投影部分的转折坝段属于异型结构，实体切分和网格剖分过程往往十分繁琐，且无法有效控制网格规模，导致建模耗时长，模型网格规模大，影响分析效率。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于，提供一种重力坝转折坝段有限元模型的快速建模方法。直接从单元入手，通过一次节点旋转和一次节点投影即可完成转折坝段模型构建。
[0006]
本发明的技术方案：一种重力坝转折坝段有限元模型的快速建模方法，首先，根据重力坝设计图纸构建转折坝段的典型剖面，并剖分出二维平面网格，沿横河向分别平推坝体网格和基岩网格，得到转折坝段的准三维网格模型，其次，将坝段一侧节点连同基础节点，进行旋转和平移，得到坝段的转折部分，再次，根据设计图纸，计算坝段中面节点投影后的横河向坐标范围，通过线性插值对中面节点进行投影，得到坝段的投影部分，最后，沿横河向对网格做进一步剖分。
[0007]
前述的重力坝转折坝段有限元模型的快速建模方法中，具体包括以下步骤：
[0008]
s1.基于重力坝结构设计图纸，构建转折坝段的典型剖面，并对该剖面进行网格剖分，得到转折坝段典型剖面的二维平面网格，对坝体混凝土和基岩给定不同的材料分区；
[0009]
s2.根据转折坝段的布置方案，将s1中生成的二维平面网格沿横河向平推，其中坝体网格平推2次，基础网格平推4次，得到转折坝段的准三维模型；
[0010]
s3.对s2中的准三维模型进行旋转和平移，得到转折坝段的转弯部分；
[0011]
s4.根据转折坝段的布置方案，确定坝段中面节点投影后的横河向坐标范围，按照线性插值对中面节点进行投影，得到坝段的投影部分；
[0012]
s5.沿横河向对坝段的转弯部分和投影部分设定网格划分的份数，做进一步剖分，得到含基础的转折坝段有限元网格模型。
[0013]
前述的重力坝转折坝段有限元模型的快速建模方法中，s3具体操作如下：
[0014]
1)根据设计图纸中转折坝段的结构体型，确定旋转角度和圆心，选定坝段外侧的节点、连同基础的外侧节点一起做逆时针旋转；
[0015]
2)根据结构体型，确定旋转角度和圆心，对1)中做逆时针旋转的部分基础节点做顺时针旋转；
[0016]
3)根据结构体型，确定平移后的坐标值，对1)、2)中旋转的基础节点进行平移。
[0017]
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0018]
1)简便易用，具备较强的可操作性和实用性，能够在保证模型精度的前提下，通过简单的旋转、平移、投影操作即可实现快速建模，显著提升有限元分析的前处理效率；
[0019]
2)能够有效控制网格规模，节约有限元求解时间，且通过该方法构建的转折坝段模型兼顾了坝段基础网格的协调性。
附图说明
[0020]
图1是本发明的流程图；
[0021]
图2a是包含基岩和坝体的转折坝段典型剖面二维平面网格；
[0022]
图2b是混转折坝段坝体典型剖面二维平面网格；
[0023]
图3是某工程转折坝段布置方案；
[0024]
图4a是平推得到的包含基岩和坝体转折坝段准三维模型；
[0025]
图4b是平推得到的转折坝段坝体准三维模型；
[0026]
图5是计算旋转节点坐标的示意图；
[0027]
图6a是对基岩和坝体侧面沿逆时针旋转的得到的网格模型；
[0028]
图6b是对坝体侧面沿逆时针旋转的得到的网格模型；
[0029]
图7是对基岩沿顺时针旋转的得到的网格模型；
[0030]
图8是对基岩节点沿横河向、顺河向平移后的网格模型；
[0031]
图9是计算节点投影坐标的示意图；
[0032]
图10a是投影后得到的坝体和基岩网格模型；
[0033]
图10b是投影后得到的坝体网格模型；
[0034]
图11a是沿横河向剖分后得到的转折坝段模型；
[0035]
图11b是沿横河向剖分后得到的转折坝段坝体模型。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0037]
本发明的实施例：下面以一混凝土重力坝为例，对本发明进行实例说明采用的方法如图1所示：
[0038]
步骤一.基于某重力坝结构设计图纸，构建转折坝段的典型剖面，并对该剖面进行网格剖分，得到转折坝段典型剖面的二维平面网格，根据混凝土、基岩的热力学参数不同，对坝体混凝土和基岩进行不同的材料分区，进行不同的材料分区其目的在于一方面混凝土、基岩的热力学参数不同，例如弹模、变模、密度、导热系数、比热，所以需要给定不同的材料分区，进而在计算中给定不同的材料参数；另一方面，在建模过程中，要对坝体和基岩部分做不同的旋转和平移操作，例如坝体和基岩的旋转角度不同，偏移量不同等。综合上述两个原因，需要区分出不同材料。如图2a、图2b所示。
[0039]
步骤二.根据设计图纸中转折坝段的布置方案(如图3所示)，将步骤一的二维平面网格沿横河向向左岸平推，其中基岩部分平推4次，平推的距离分别为200m、1m、0.65m、198.35m；坝体部分平推2次，平推的距离分别为1m，0.65m。平推后得到的准三维模型如图4a、4b所示。
[0040]
步骤三.对准三维模型进行旋转和平移，得到坝段的转弯部分，具体步骤如下:
[0041]
1)选定顺河向坐标x∈[0,1000]、横河向坐标y＝200，竖向坐标z∈[-1000,5000]范围内的节点，以点(0,200,0)为圆心，逆时针旋转α＝38
°
；选定顺河向坐标x∈[0,1000]、横河向坐标y＝1.65，竖向坐标z∈[-1000,5000]范围内的节点，以点(0,1.65,0)为圆心，逆时针旋转α＝38
°
。采用公式1和图5所示的方法计算旋转后的节点坐标，并在模型中更新，更新后的模型如所图6示。
[0042][0043]
式中，(xi,yi,zi)为旋转前第i号点的节点坐标，(xi′
,yi′
,zi′
)为旋转后第i号点的节点坐标，l为转折坝段的顺河向底宽，α为旋转角度。
[0044]
2)选定顺河向坐标x∈[61.812,1000]、横河向坐标y∈[49.943,175]，竖向坐标z∈[-1000,5000]范围内的节点，以点(61.812,49.943,0)为圆心，顺时针旋转α＝38
°
；选定顺河向坐标x∈[61.812,1000]、横河向坐标y∈[248.29,400]，竖向坐标z∈[-1000,5000]范围内的节点，以点(61.812,248.29,0)为圆心，顺时针旋转α＝38
°
。采用公式1和图5所示的方法计算旋转后的节点坐标，并在模型中更新，更新后的模型如所图7a、7b所示。
[0045]
3)选定顺河向坐标x∈[260,280]、横河向坐标y∈[-1000,1000]，竖向坐标z∈[-1000,5000]范围内的节点，将节点的x坐标改为280；选定顺河向坐标x∈[-1000,1000]、横河向坐标y∈[-1000,1000]，竖向坐标z∈[-1000,5000]范围内的节点，将节点的y坐标改为250。平移后的模型如图8所示。
[0046]
步骤四.根据设计图纸中转折坝段的布置方案，确定s1中平推2次后得到的坝段的中面节点投影后的横河向坐标x范围为[1.65,28.6573]，采用公式2和图9所示的方法，计算
节点投影后的坐标，通过线性插值对中面节点进行投影，得到转折坝段的投影部分，如图10a、10b所示。
[0047][0048]
式中，(xj,yj,zj)为旋转前第j号点的节点坐标，(xj′
,yj′
,zj′
)为旋转后第j号点的节点坐标，l
′
为投影后的最大y坐标，l
″
为投影后的最小y坐标。
[0049]
步骤五.对转折坝段的转弯部分和投影部分，设定沿横河向的网格划分的份数，均为6份，进行网格剖分，得到含基础的转折坝段有限元模型，如图11a、图11b所示。

技术特征：
1.一种重力坝转折坝段有限元模型的快速建模方法，其特征在于：首先，根据重力坝设计图纸构建转折坝段的典型剖面，并剖分出二维平面网格，沿横河向分别平推坝体网格和基岩网格，得到转折坝段的准三维网格模型，其次，将坝段一侧节点连同基础节点，进行旋转和平移，得到坝段的转折部分，再次，根据设计图纸，计算坝段中面节点投影后的横河向坐标范围，通过线性插值对中面节点进行投影，得到坝段的投影部分，最后，沿横河向对网格做进一步剖分。2.根据权利要求1所述的重力坝转折坝段有限元模型的快速建模方法，其特征在于：具体包括以下步骤：s1.基于重力坝结构设计图纸，构建转折坝段的典型剖面，并对该剖面进行网格剖分，得到转折坝段典型剖面的二维平面网格，对坝体混凝土和基岩给定不同的材料分区；s2.根据转折坝段的布置方案，将s1中生成的二维平面网格沿横河向平推，其中坝体网格平推2次，基础网格平推4次，得到转折坝段的准三维模型；s3.对s2中的准三维模型进行旋转和平移，得到转折坝段的转弯部分；s4.根据转折坝段的布置方案，确定坝段中面节点投影后的横河向坐标范围，按照线性插值对中面节点进行投影，得到坝段的投影部分；s5.沿横河向对坝段的转弯部分和投影部分设定网格划分的份数，做进一步剖分，得到含基础的转折坝段有限元网格模型。3.根据权利要求2所述的重力坝转折坝段有限元模型的快速建模方法，其特征在于：s3具体操作如下：1）根据设计图纸中转折坝段的结构体型，确定旋转角度和圆心，选定坝段外侧的节点、连同基础的外侧节点一起做逆时针旋转；2）根据结构体型，确定旋转角度和圆心，对1）中做逆时针旋转的部分基础节点做顺时针旋转；3）根据结构体型，确定平移后的坐标值，对1）、2）中旋转的基础节点进行平移。

技术总结
本发明公开了一种重力坝转折坝段有限元模型的快速建模方法。首先，根据重力坝设计图纸构建转折坝段的典型剖面，并剖分出二维平面网格，沿横河向分别平推坝体网格和基岩网格，得到转折坝段的准三维网格模型，其次，将坝段一侧节点连同基础节点，进行旋转和平移，得到坝段的转折部分，再次，根据设计图纸，计算坝段中面节点投影后的横河向坐标范围，通过线性插值对中面节点进行投影，得到坝段的投影部分，最后，沿横河向对网格做进一步剖分。本发明降低了重力坝转折坝段的建模难度，能够有效控制网格规模，在保证模型精度的前提下实现快速建模。模。模。


技术研发人员：请求不公布姓名 龙潜 别玉静 庞博慧 唐腾飞 周俊毅 赵欢 焦艳彬
受保护的技术使用者：华能澜沧江水电股份有限公司
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/13