ansys在橡胶坝自排水计算中应用

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1、ANSYS在橡胶坝自排水计算中应用　　摘要：橡胶坝充排水设计是橡胶坝控制系统的重要设计内容，而自流坍坝排水时长的确定又是充排水设计中的难点，笔者使用ANSYS的有限单元划分及用户交互APDL语言，实现了对自流坍坝排水时长的参数化编程计算，能够快速、准确的确定坍坝时长，为同类橡胶坝工程充排水系统的设计及管理工作提供了参考或借鉴。关键词：ANSYS；橡胶坝；自流式坍坝；有限元中图分类号：S276文献标识码：A文章编号：5橡胶坝是一种柔性水工建筑物，它用高强度合成纤维或钢丝作受力骨架，涂敷橡胶制成胶布，锚固在基础上形成封闭式袋状。由于其结构简单、造价低、工期短、抗震性强、管理方

2、便以及汛期不阻水等优点，在防洪、灌溉、发电、航运、挡潮和环境美化等方面得到广泛应用。充排水系统设计是充水式橡胶坝设计中的重要内容，若遇突发洪水，如排水时间过长，就不能及时坍坝，可能造成洪水漫滩或漫坝，带来诸如坝袋超压破裂或库区淹没等严重后果。为此，较好的计算出橡胶坝的排水时间尤为重要，充水式橡胶坝的排水方式有自流式、动力式和混合式三种，动力强排时根据管路及水泵型号能够较容易的计算得到排水时长，但对于自流式排水时长的确定，由于受到的影响因素较多，成为橡胶坝设计中的难点。自排水时长的影响因素分析1.1坝袋形状橡胶坝在坍坝过程中，随坝袋内水体逐步向外排出，坝袋内压下降，坝袋形状

3、随内压逐步降低呈非线性变化，坝袋形状的难以确定性，成为精确计算自排水时间的最大难点。1.2上游来水量上游来水量大小影响坝上总水头及水流形态，使橡胶坝坝袋处于复杂的受力环境中，给自流坍坝时间精确计算带来很大困难。1.3下游淹没水深排水管口一般建在橡胶坝下游消力池内，随着坝袋排水坝高不断降低，坝顶溢流逐步加大，坝体下游管口淹没水深呈现复杂的非线性变化，从而对排水流量大小产生影响，进而影响自流排水时长。简化计算方法及其ANSYS实现2.1简化计算方法要精确确定上述因素对坝袋排水的影响，困难极大，就满足工程计算精度要求而言，也是不必要的。目前，工程上一般采用近似计算的方法求解自流

4、坍坝时长，假定在坍坝过程中坝袋形状不变，忽略坝顶过水及下游淹没影响，计算时将坝袋内水体由设计坝高逐渐降至零的过程进行分层[1]5[2]，分别计算各层水体对应的流量及各层总水量，求得各分层排水时长后，求和得总排水时长。排水管道的流量按考虑局部水头损失的短管有压管道流量计算公式（1）求解。（1）式中：μc为管道系统的流量系数；λ沿程阻力系数；ξ为管路局部水头损失系数；L为管路长度；H为以出水口为基准的位置水头。求得流量后，即可根据（2）式，求得相应各层排水时间。T=V/Q（2）式中：V为分层水体体积；Q为分层水体流量；T为分层水体排出时间。2.2ANSYS求解过程由于在5该计

5、算过程中并未用到ANSYS的求解模块，因而在单元类型的选择上并不受约束，本文采用了PLANE82单元进行计算，根据设计资料或《橡胶坝技术规范》(SL227—98)确定的坝袋形状，建立模型并进行网格划分。使用ANSYS的参数化设计语言ANDL编写程序提取各单元的面积，分别对不同位置区域的单元面积求和即得到该层水体的面积S，再由坝长即可得到各层水的体积V；根据各层水体的高度，得到计算时的坝内水头H，再根据管路布设情况代入流量公式，求得Q。工程计算实例3.1工程描述谭家庄橡胶坝工程位于烟台市福山区回里镇谭家庄大桥下游229m处，处于外夹河中游河段，橡胶坝为斜墙式，共1孔，橡胶坝

6、袋下游面形状根据《橡胶坝技术规范》(SL227—98)的规定进行设计。坝高H=5m，内压比α=1.25，坝袋底长L1=128m，顶长L2=161m，坝袋上游面为半径Ｒ=7.5m的圆弧段，上游贴地段长度n=7m，下游贴地段长度X0=3.31m，采用直径0.8m排水管，长度L=90m。表1橡胶坝袋下游面形状表3.3分层水体体积及流量求解采用适应性较好的三角形网格划分，设置单元边长为0.2m，共得到2736个单元，得到的有限元模型如图所示，对不同位置的单元面积求和后得到S，乘以坝长即得该层水体体积V=S(L1+6.6H)；求管路流量时采用该水层高度的平均值做为位置水头H，沿程阻

7、力系数根据莫迪（Moody）图取λ=0.025，管路局部水头损失考虑3个45度弯头、2个直角弯头及水帽进口影响，Σξ=5.04，据此代入公式求得各层水体的排出流量Q。53.4排水时间确定将分层水体体积及流量代入公式T=V/Q即可得各分层水体的排出时间，对坝体取0.5m进行分层计算，成果如下表:表2分层计算成果表计算得总排空时间T总=7412s（2.06h）。结语本文分析了影响橡胶坝自排水时长的影响因素，指出精确计算自排水时长的难点；使用近似方法，利用ANSYS有限元程序进行编程，较好的实现了自排水时长的确定，能够满足一般工程精