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CHANGCHUNINSTITUTEOFTECHNOLOGY开题报告设计题目：上沟水利枢纽有限元分析（挡水坝段空间、底孔坝段）学生姓名：学院名称：水利与环境学院专业名称：水利水电工程班级名称：学号：指导教师：教师职称:教授学历：学士2014年3月16日长春工程学院开题报告一、选题依据1.设计的目的及意义随着计算机技术的不断提高，计算机辅助工程CAE(ComputerAidedEngineering)系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和优化的重要工具。现今水利工程体型日趋复杂,建筑功能更趋综合,复杂的结构给设计人员确定某些设计参数、控制参数带来疑惑,他们非常需要通过日趋复杂、多样的分析来保证建筑物的安全、合理,因而对功能强大、灵活的分析工具有了越来越强的需求。而Ansys在复杂建筑的静力、动力、线性、非线性等响应特征的分析具中有强大的优势,可以很好地反映这些建筑物及其基础在各种复杂因素作用下的力学特征。Ansys等有限元计算软件在水利工程建设中发挥着越来越重要的作用。本次课题研究，使我学会了如何使用Ansys软件对坝体进行应力分析，辅助坝体设计；使我对坝体结构在各种外荷载条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性有了形象认识；也使我思路开阔，将所学的多门学科知识融会贯通提高动手实践能力，为今后步入社会工作积累经验。2.设计拟解决的工程实际问题利用Ansys有限元软件对南莲水利枢纽挡水坝段空间和底孔坝段进行设计，经后处理，分析坝段的强度及抗滑稳定性。3.设计拟应用的现场资料综述南莲水利枢纽工程位于敦化市沙河桥乡南莲村，在其上游已建成的有红方、西崴子、黑石水电站。南莲水电站是牡丹江干流梯级开发的电站,电站坝址处于东经128°19′、北纬43°28′25″控制流域及水面面积为2112km2。河道长为115.8km2。南莲水电站水源除来自控制断面以上各河流外，在沙河与牡丹江之间修一引水涵洞，引沙河水入牡丹江补充发电用水.涵洞进口位于沙河桥乡东经128°21′57″，北纬43°28′54″.沙河桥引水洞拦河坝以上控制流域面积为1778km2。开题报告牡丹江为松花江右岸一级支流，发源于吉林省敦化市马号乡马家店屯西南寒葱岭北，干流牡丹江为松花江右岸店屯西南寒葱岭北，干流由西南流向东北。主要有沙河、珠尔多河、黄泥河等较大支流汇入，经墩化市小山嘴子出吉林省注入镜泊湖。牡丹江在吉林省境内流域面积为10547km2。镜泊湖以上干流流域面积为8797km2。沙河是牡丹江右侧一条较大支流，发源于敦化市大石头镇烟筒石力子屯北，流域控制面积为1849km2，河道长188.6km2，河道比降为1.6‰。牡丹江属于区性河流，该流域地处张广才岭和和长白山余脉的底山丘陵台地区，四面环山，地形起伏很大，四周山地海拔高程在800m以上，中间河谷平原海拔高程为350m到600m，流域平均高程为400m到500m，十度以下坡地和平地面积占20%.其余为山地。河流两岸地势较平坦，大部分为耕地和草甸子荒地。牡丹江流域属于温带大陆性季风气候压，其特点是春季风大而干燥，夏季温热多雨，秋季凉爽多雾，冬季漫长而寒冷。一年中暑温差悬殊，春秋雨季短促。流域内多年平均气温为3.8℃。最高气温为34.5℃，最低气温为–34.2℃。多年平均降水量为663.2㎜，其中6~9月份降水量占年降水量的71%。多年平均蒸发量为1223.8㎜，多年平均风速3.1m/s，最大风速25.7m/s风向为W，多年平均无霜期119天，全年日照时数为2436h。枢纽坝址上流敦化水文站泥沙测验资料：3年系列资料计算多年平均含沙量为187.2g/m3，多年平均输沙模数为48.2t/km2.a。推移质按悬移质20﹪计算。南莲水电站悬移质输沙量为10.2万t。推移质为2万t。南莲水利枢纽工程的电站为坝后式，采用单管单机，装机分别为两台6300kw及1600kw，共计15800kw工程地质资料：左岸坝平均覆盖层厚度4~7.3m，下伏花岗闪长岩；河床段松散覆盖层厚0.6~4m,下伏弱风化花岗闪长岩；左坝肩表层堆积块石含少量粘性土，厚0.5～1m，下伏花岗闪长岩；右坝肩表层为块石含少量粘性土，最大厚度22m,具有架空现象，变形大，透水性大，中部为粘性古夹层，结构密实，透水性小，下部为气孔状玄武岩和全风化花岗闪长岩。开题报告厂房基岩为弱风化花岗岩，强度满足要求。基坑位于地下水位以下，开挖时一定会存在排水问题。尾水渠沿浅松散覆盖层厚度5m左右，渠底位于强风化岩石上，岸坡为松散层。地基设计参数：a)允许承载力弱风化花岗闪长岩，允许承载力采用2.5MPa;小气孔玄武岩,允许承载力采用2.5MPa;大气孔玄武岩,允许承载力采用1.0Mpa。b)摩擦系数,抗剪强度系数及凝聚力弱风化花岗闪长岩,摩擦系数采用0.68,抗剪断摩擦系数采用1.0,抗剪断凝聚力采用0.6Mpa。小气孔玄武岩,摩擦系数采用0.68,抗剪断摩擦系数采用1.0,抗剪断凝聚力采用0.5Mpa。大气孔玄武岩，摩擦系数采用0.55,抗剪断摩擦系统系数采用0.9,抗剪断凝聚力采用0.4MPa。水库特性：（1）、水库水位1)正常蓄水位470.00m2)设计洪水位（P=2%）470.00m3)校核洪水位（P=0.2%）470.59m4)极限死水位459.00m（2）、电站下游尾水位1)设计洪水位436.77m2)校核洪水位439.20m开题报告4.设计拟应用的文献综述（一）、有限元的特色及基本思想理论分析、科学实验、科学计算已被公认为并列的三大科学研究方法，对于某些领域，由于科学理论和科学试验的局限，科学计算便成了惟一的研究手段。就工程领域而言，由于控制微分方程组的复杂性以及边界条件和初始条件的难以确定性，我们一般得不到系统的解析解。因此对于这类问题，一般需要采用各种数值计算方法获得满足工程需要的近似数值解，这种方法也称为数值模拟技术。有限元方法是目前应用最为广泛的一种数值模拟计算方法。采用有限元分析可以获取几乎任意复杂工程结构的各种机械性能信息，还可以直接就工程设计行进各种评判，可以就各种工程事故进行技术分析。基于有限元分析的优化技术，能够改进结构设计参数，使其在满足强度和刚度的情况下具有最合理的结构。在新型产品的开发和已有产品的改造方面，能够提供对其强度、工作情况下的应力分布状况，利用优化设计方法对其进行形状和结构优化设计，从而在设计上提供技术支持和理论指导。有限元法的基本思想是把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题，求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。有限元的实质就是把具有无限个自由端的连续体，理想化为有限个自由度的单元的集合体，使问题简化为合适于数值解法的结构型问题。（二）、有限元方法的分析过程有限元方法的实施过程可以分成三个步骤：1、前处理。将整体结构或其一部分简化为理想的数学模型，用离散化的网格代替连续的实体结构。2、计算分析。分析计算结构的受力、变形及特性。3、将计算结果进行整理和归纳。对于有限元程序使用者而言，第一步和第三步的工作量最大，一个有限元程序开题报告的好坏，在很大程度上取决于第一步的前处理和第三步的后处理功能是否强大。前处理对于第一步的前处理而言，要根据计算的目的和所关心的区域，将结构模型化、离散化。需要给出下列信息：(1)节点的空间位置。(2)单元与节点的连接信息。(3)结构的物质特性和材料参数。(4)边界条件或约束。(5)各类载荷。在构成离散模型时，为了使模型较为合理，必须遵循以下的原则：(1)使计算模型尽量简化，以减少计算时间和容量，但又必须抓住主要因素以不影响计算精度。(2)在所关心的区域加密计算网格。后处理有限元计算式一种大规模的科学计算，其特点是除了要花费巨大的计算机处理能力外，在计算过程中还会产生巨大数量的数字信息。只有在计算输出信息进行仔细分析理解之后，才能洞察计算中发生的情况和问题，才能获得对被研究对象的认识和见解。在大多数情况下，被研究的对象都是三维介质中的场分布问题（应力分布、位移分布、压力分布、电场分布等），即所谓的“思维”问题。鉴于其计算结果分析的复杂性，人们提出了科学计算对象的物理变化过程的认识，发现通常通过数值信息发现不了的现象，甚至获得意料之外的启发和灵感，从而缩短了研究和设计周期，提高了效率，获得更过的结果。5.设计相关技术的国内外现状有限元法(FEM:FiniteElementMethod)作为一种最有效的数值方法，在工程实际中得到了广泛、深入的应用。随着FEM研究的深入，过去不能解决或能解决但求解精度不高的问题，都得到了新的解决方案。开题报告传统的FEM假设：分析域是无限的；材料是同质的，甚至在大部分的分析中认为材料是各向同性的；对边界条件简化处理。但实际问题往往是分析域有限、材料各向异性或边界条件难以确定等。为解决这类问题，美国的heofanisStrouboulis&LinZhang等人提出用GFEM(GeneralizedFiniteElementMethod)解决分析域内含有大量孔洞特征的问题；比利时的NguyenDangHung和越南的TranThanhNgoc提出用HSM(theHybridmetisSingularelementofMembraneplate)解决实际开裂问题(结构尺寸有限，形状任意，边界条件复杂，材料特性任意)。传统的有限元断裂力学技术(thefiniteelementfracturemechanicstechniques)在解决零件中出现裂缝这类问题时，需要在曲线型裂纹前缘附近的区域细分网格。这样无论是从网格生成的角度看还是从求解的角度看，都需要花费大量的时间。而且在循环加载的情况下产生的次裂纹将会使分析变得更加复杂。为此，美国的DanielSPipkinsay&SatyaNAturib提出了FEAM(FiniteElementAlternatingMethod)。该方法在求解应力集中因子时，可在不牺牲精度的情况下节省时间，用它分析具有椭圆裂纹或部分椭圆裂纹的结构是很有用的。此外，西班牙的OnateE和波兰的RojekJ将DEM(DiscreteElementMethod)和FEM结合解决地质力学中的动态分析问题；瑞典的BirgerssonF和英国的FinnvedenS针对FEM在频域中的应用提出了SFEM(SpectralFiniteElementMethod)。在FEM应用领域不断扩展、求解精度不断提高的同时，FEM也从分析比较向优化设计方向发展。印度Mahanty博士用ANSYS对拖拉机前桥进行优化设计，结果不但降低了约40%的前桥自重，还避免了在制造过程中的大量焊接工艺，降低了生产成本。FEM在国内的应用也十分广泛。20世纪80年代我国大连理工大学工程力学研究所开发成功了国内第一个通用有限元程序系统JIGFEX，并在1983年开发出了它的微机版JIGFEX–W。目前，FEM已渗透到工程分析的各个领域，从大型的三峡工程到微米级器件都采用FEM进行分析。它在我国经济发展中拥有广阔的发展前景。开题报告FEM的研究热点目前表现在两个方面：超收敛应力计算和有限元模型修正技术。超收敛应力计算在超收敛应力计算方面，陈传淼教授是中国学派的代表，他的“有限元超收敛构造理论”成果属于国际领先水平。超收敛应力(及位移)计算是以FEM为代表的各种数值方法争相追求的目标，所以它一直是FEM研究的难点与热点问题。有限元模型修正技术有限元模型修正技术(或试验/分析模型相关)是要充分利用结构试验和FEA两者的优点，用少量的结构试验数据对有限元模型进行修正，获得比较准确的有限元模型。二、设计方案及技术路线1、了解枢纽区的基本