水工結構中局部接觸問題數值分析方法與套用研究

《水工結構中局部接觸問題數值分析方法與套用研究》是依託河海大學，由蘇超擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：水工結構中局部接觸問題數值分析方法與套用研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：蘇超
• 依託單位：河海大學

項目摘要

接觸是水工結構工程中的常見問題，但以往由於受到計算方法和計算技術限制，在水電工程施工仿真、設計計算、穩定分析及健康預測領域基礎計算中多迴避採用接觸計算方法，從而嚴重地影響了數值分析的精度。研究擬在目前流行的數值算法基礎上，提出有限彈性塊體系統有限元分析方法，以克服已有離散元法和DDA法的不足。主要創新工作有：①水工結構靜力接觸計算方法和穩定分析，研究既能反映結構的真實變形和應力狀態、又能夠套用極限平衡概念計算穩定安全係數的現代計算方法；②結構在地震等動力荷載作用下，均會發生整體的滑移及相互碰撞，重點研究考慮塊體間相互碰撞的水工結構動力接觸計算問題；③通過多種材料、不同形狀、不同組合的試驗，研究動接觸碰撞過程中的應力變化、能量損失及碰撞衝量等物理特性和碰撞機理，精確地建立動力仿真計算的數學模型；④利用自行開發的計算軟體研究高拱壩橫縫、水輪機鋼殼及層狀地下洞室的接觸特性和穩定問題。

結題摘要

接觸是水工結構工程中的常見問題，除破碎岩體外，大部分非連續變形問題的接觸面有限，即接觸面相對於整個結構占比較小、並且接觸面位置明確。本項目的目標主要是解決這類水工結構局部接觸的仿真計算問題。現有的國際知名算法是離散元法和DDA方法，離散元法的缺點是為保證單元尺寸相對均勻，將連續體一同離散，程式採用統一的處理模式，影響計算效率；DDA方法理論上存在兩點不足：一是塊體的彈性變形採用等應變假設，需要精細的單元離散才能達到一定的計算精度；二是採用虛擬彈簧處理接觸，會導致塊體間的相互嵌入。 本項目將有限單元法與多體系統動力學理論相結合，單個塊體內部相對變形由有限元方程控制，單個塊體的移動由動力學方程控制，不同塊體間通過接觸力相互聯繫、由接觸關係控制，聯立方程組的未知量為接觸力、跨塊錨桿拉力和各塊體整體位移變數，接觸疊代控制在接觸面上的有限變數之中，從而形成了解決水工結構局部非連續變形分析問題的多體系統有限元方法，並編制了基於計算機網路並行計算程式。研究對提高水電工程施工仿真、設計計算、穩定分析及健康預測領域基礎計算的分析精度具有重要意義。為了給動接觸計算提供參數，設計了碰撞恢復係數試驗裝置，進行不同材料和不同形狀碰撞恢復係數試驗。同時對地下工程和岩質高邊坡中由岩體軟弱夾層或層間錯動帶切割出的塊體穩定問題，水輪機蝸殼中的鋼殼和混凝土之間縫隙及聯合受力，軟土地基上水工建築物地基與混凝土的接觸，加固工程的新老混凝土接觸等施工仿真問題進行了研究，取得了許多工程實用成果。 本項目主要研究成果已在學術期刊上發表3篇SCI論文、1篇EI論文、2篇（EI）國際學術會議論文及1篇國核心心期刊論文；1篇錄用待刊EI論文和1篇國核心心期刊待刊論文；獲中國航海學會科學技術三等獎1項；受理了2項國內發明專利；培育了5名博士和7名碩士研究生；分別進行了6次國際學術交流。目前尚有6篇與本項目研究有關的論文正在投稿中（EI以上刊源）。