CN107369372B - 水电站河床式厂房动力分析数值模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电站河床式厂房动力分析数值模型设计方法，属于水利水电领域，提供一种可实现水电站河床式厂房模型设计的一致性和规范性，同时可缩短设计周期的水电站河床式厂房动力分析数值模型设计方法，包括如下步骤，步骤一、构建河床式厂房的三维结构模型；步骤二、划分网格；步骤三、设定网格单元类型；步骤四、设定材料属性；步骤五、设定不同类型的网格单元之间的连接形式；步骤六、设定边界条件；第七步、模拟水体质量。本发明所述的设计方法，可广泛适用于各基于有限元动力分析的水电站河床式厂房动力分析数值模型的设计中，并有利于统一该类模型的设计规范。

Description

水电站河床式厂房动力分析数值模型设计方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种水电站河床式厂房动力分析数值模型设计方法。

背景技术

在我国西北、西南地区的山区河流纵坡大，适宜于开发水能资源；水力发电是目前世界上使用最广泛的一种清洁的可再生能源。为了高效利用水能资源，目前规划或在建的电站趋向于巨型化；水轮发电机组的单机容量越来越大，运行水头越来越高。水电站厂房是电站枢纽布置的核心区域，厂房结构既是水工建筑物和水轮发电机组机电设备的综合体，又是电站运行人员活动和生产输出电能的场所。而厂房结构的巨型化削弱了厂房结构的刚度，水轮机流道脉动压力的能量更加突出，如何保证巨型机组安全稳定运行是业界必须攻克的难题。厂房内部结构及其受力条件复杂，基于结构力学理论的简化方法在厂房内部部分结构的力学分析中已被证明是不准确的；而随着近年来有限元单元法在工程结构仿真领域的逐步推广，采用有限元单元法揭示水电站厂房整体结构的受力机理成为一种可行性非常强的技术手段。而在采用有限元进行水电站厂房的分析过程中，如何正确、规范的建立水电站厂房结构的动力分析数值模型成为了学术界关注的重点。

近几年来，采用有限元计算分析方法进行水电站厂房整体结构动力分析计算已经被广泛使用，但是由于缺少相应的参考标准以及规范文件，而且由于水电站厂房动力分析数值模型(以下可简称为厂房数值模型或厂房模型等)的设计中往往包括基岩范围、不同结构部分的单元类型、不同单元类型之间的连接形式、网格尺寸、弹性模量以及阻尼比等众多参数，而对于这些参数的选取目前没有一个统一的参考标准，导致进行水电站厂房设计的单位在厂房动力分析数值模型的设计上均或多或少的加入了各自的设计理念与经验，因而出现不同的设计单位设计的水电站厂房模型各不相同的情况，进而导致各单位的计算结果存在较大的差异性，无法实现水电站厂房模型设计的规范和统一。

另外，在以往的厂房结构动力分析研究中，厂房模型的边界条件通常假设厂房基础底部固定，基础四周采用法向约束，上述边界条件用于静力分析方式中是合适的，但厂房结构动力分析需要对机组动荷载和水力振源的作用进行动力计算，根据波动原理，振动波在截断边界处会产生反射，从而影响计算成果的准确性；特别是河床式厂房由于上游侧挡水，需要考虑上下游水体对河床式厂房的自振特性和振动反应的影响，而在以往的水电站河床式厂房动力分析过程中对水体的模拟一直没有提出较为有效的方法。

另外，对于水电站厂房模型这类体积量较大的模型进行有限元动力学分析时，其计算量通常是非常庞大的，往往需要计算速度非常强大的计算机系统才能完成。因此，在保证计算结果准确性的情况下，如何通过模型的构建来尽量减少所需的计算量，提高模型计算效率，也是此类模型设计时需要重点考虑的因素。

发明内容

本发明解决的技术问题是：现有基于有限元动力分析而设计的水电站河床式厂房动力分析数值模型，其设计方法没有统一参考设计方法和标准的问题，以及现有的厂房模型设计方法中未能准确的设定合理的边界条件以及未能有效地对厂房上下游侧的水体进行模拟等，进而导致分析结果的不准确性，本发明以提供一种可实现水电站河床式厂房动力分析数值模型设计的一致性和规范性，以及提高分析结果准确性，同时还可缩短设计周期的河床式厂房动力分析数值模型设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：水电站河床式厂房动力分析数值模型设计方法，包括如下步骤，

步骤一、构建水电站河床式厂房的三维结构模型：根据实际项目工程中河床式厂房的设计结构或者实际结构，构建河床式厂房的三维结构模型；所述三维结构模型由厂房主体部分和基岩部分组成；所述基岩部分的构建范围为：基岩部分位于厂房主体部分的下方以及沿河道流向的上、下游方向的边界至厂房主体部分的外轮廓之间的距离不低于厂房主体部分的高度H的两倍，基岩部分沿河道宽度方向的边界与厂房主体部分上沿河道宽度方向的两侧平齐；

步骤二、划分网格：对上述步骤一中构建的三维结构模型进行网格划分，并且设置厂房主体部分的网格尺寸不大于基岩部分的网格尺寸；

步骤三、设定网格单元类型：厂房主体部分中的横梁结构和立柱结构均采用梁单元，厂房主体部分中的楼板结构和风罩结构均采用板单元，厂房主体部分中的其余结构采用实体单元；基岩部分采用实体单元；

步骤四、设定材料属性：为网格单元设定对应的材料属性；其中对于弹性模量的设定为：设置厂房主体部分的弹性模量的取值为厂房主体部分实际所用材料所对应的静弹性模量值，设置基岩部分的弹性模量的取值为基岩部分实际岩体所对应的静弹性模量值；对于阻尼比的设定为：设置厂房主体部分的阻尼比和基岩部分的阻尼比均为；

步骤五、设定不同类型的网格单元之间的连接形式：对不同类型的网格单元之间的连接形式采用节点自由度约束；

步骤六、设定边界条件：对基岩部分上的底部端面以及沿河道流向的上游端端面和下游端端面分别设置粘弹性人工边界，对基岩部分上沿河道宽度方向的两侧侧面分别设置法向约束；

第七步、模拟水体质量：采用附加质量法模拟上游水体、下游水体以及厂房主体部分内部流道内的水体。

进一步的是：基岩部分的构建范围为：基岩部分位于厂房主体部分的下方以及沿河道流向的上、下游方向的边界至厂房主体部分的外轮廓之间的距离不低于厂房主体部分的高度H的两倍。

本发明的有益效果是：本发明针对现有基于有限元动力分析的水电站河床式厂房模型设计没有统一参考设计方法和标准的问题，给出了一种规范的水电站河床式厂房动力分析数值模型设计方法，从根本上规范了水电站河床式厂房动力分析数值模型设计的方法和标准。本设计方法明确了河床式厂房模型构建的组成部分、各水体部分的模拟形式、弹性模量的取值、阻尼比的取值、不同类型的单元之间连接形式、基岩部分的范围及其边界条件的设定方式以及各部分的结构单位类型的选取等。因此，通过采用本发明所述的设计方法不仅保证了水电站河床式厂房模型设计的一致性和规范性，而且还可提高仿真分析结果的统一性、有效性和准确性；并且通过采用本发明所述方法既可缩短厂房模型的设计周期，还可进一步缩短其仿真分析的计算量和分析所需时间。

附图说明

图1为本发明所述的水电站河床式厂房动力分析数值模型设计方法中水电站河床式厂房模型的立体示意图；

图2为河床式厂房的平面图；

图3为图1中厂房主体部分的放大示意图；

图中标记为：厂房主体部分1、基岩部分2、上游水体3、下游水体4、横梁结构5、立柱结构6、楼板结构7、风罩结构8、进水端流道11、蜗壳流道12、尾水流道13。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明所述的水电站河床式厂房是水电站厂房设计形式中的一种常规厂房布置方式，其厂房主体部分1为直接设置在挡水坝中部，并位于河道内。考虑到通常在修筑挡水坝和厂房主体部分1时，沿河道宽度方向上厂房主体部分1的两侧通常与相应的挡水坝段之间设置有缝隙，因此在本发明中构建的三维结构模型时未考虑位于厂房主体部分1两侧的挡水坝段，并且也未考虑厂房主体部分1上与两侧挡水坝段对应的侧面的约束，即沿河道宽度方向上厂房主体部分1的两侧侧面未考虑任何约束。

理论上，水电站河床式厂房的具体结构可能随着实际项目工程的不同而有所差异，因此本发明中在构建河床式厂房的三维结构模型时应当根据实际项目工程的设计结构或者实际结构进行构建，并且在构建三维结构模型时，应当至少包括厂房主体部分1和对应的基岩部分2。例如参照附图1中所示，其构建的三维结构模型中，包括有厂房主体部分1和相应的基岩部分2。

另外，对于基岩部分2的选取范围，为了尽量降低在分析过程中基岩部分2的选取范围对厂房主体部分1的分析结果的影响，尤其当基岩范围选取较小时容易导致分析结果的不准确。本发明中对于基岩部分2的构建范围参照如下设置：基岩部分2位于厂房主体部分1的下方以及沿河道流向的上、下游方向的边界至厂房主体部分1的外轮廓之间的距离不低于厂房主体部分1的高度H的两倍，基岩部分2沿河道宽度方向的边界与厂房主体部分1上沿河道宽度方向的两侧平齐。当然，理论上，基岩部分2的构建范围越大，其分析结果将越准确，但是其分析所需的计算量将越大；因此，本发明在保证分析结果准确性的情况下，进一步优选设置基岩部分2位于厂房主体部分1的下方以及沿河道流向的上、下游方向的边界至厂房主体部分1的外轮廓之间的距离为厂房主体部分1的高度H的两倍。不失一般性，上述本发明中对三维结构模型的构建可以采用相应的三维绘图软件进行，如可采用AutoCAD、Pro-E、CATIA或者其他三维绘图软件进行构建。

在上述构建三维结构模型完成后，需要进一步对构建的模型进行网格划分，考虑到实际的分析项目中，主要的关注对象一般为厂房主体部分1，因此本发明优选设置厂房主体部分1的网格尺寸不大于基岩部分2的网格尺寸，即在划分网格时，可将厂房主体部分1的网格尺寸设定为相对较小的值，而将基岩部分的网格尺寸设定为相对较大的值；这样设置的好处一方面是可确保厂房主体部分1分析结果的准确性，另一方面则可降低分析所需的计算量，节约计算成本。当然，理论上，在不考虑模型计算量的情况下，网格划分越小，则其分析的结果越详细；因此本发明中在对模型进行网格划分时，应当综合考虑实际情况后设定相应的网格尺寸。另外，如有需要，也可在厂房主体部分1以及基岩部分2内分别划分不同的区域，并对不同区域采用不同的网格尺寸进行划分，尤其对于厂房主体部分1中的重点关注区域，可将其网格尺寸划分为相对于其他部分的尺寸更小的情况，进而可使得该重点关注区域的分析结果更加详细。不失一般性，对于划分网格的处理过程，可在相应的有限元动力分析软件中进行，如在ANSYS或者ABAQUS等软件中进行网格划分；当然，也可采用专门的网格划分软件，如可采用HYPERMESH软件等。

在上述网格划分后，将形成相应的网格单元(也可称为单元)，本发明中进一步可根据模型中不同结构的网格单元进行分类设定单元类型，具体为：厂房主体部分1中的横梁结构5和立柱结构6均采用梁单元，厂房主体部分1中的楼板结构7和风罩结构8均采用板单元，厂房主体部分1中的其余结构采用实体单元；基岩部分2采用实体单元。上述的厂房主体部分1中的横梁结构5和立柱结构6，指的是在构建的三维结构模型中对应于实际厂房结构中的横梁结构5以及立柱结构6等，例如参照附图3中所示的具体结构图中标注的位于厂房主体部分1中内的横梁结构5和相应的立柱结构6等；相应的，厂房主体部分1中的楼板结构7和风罩结构8，指的是在构建的三维结构模型中对应于实际厂房结构中的楼板结构7和风罩结构8，如参照附图3中所示的厂房主体部分1中内的楼板结构7和风罩结构8等。上述本发明中将厂房主体部分1内相应的横梁结构5和立柱结构6均采用梁单元以及将相应的楼板结构7和风罩结构8均采用板单元，其目的是在确保分析结果准确性的情况下，尽量降低模型分析所需的计算量，缩短计算所需时间，降低计算所需成本。当然，不失一般性，在计算设备的计算能力充足或者对计算时间没有要求的情况下，理论上可以将厂房主体部分1中的所有结构均采用实体单元进行计算。

另外，当在厂房主体部分1内设置有梁单元、板单元和实体单元等不同单元类型的情况时，由于在不同单元类型的接触部位，存在节点自由度不一致的情况，因此本发明中需要对不同类型的单元之间的连接形式进行相应的设定，其中本发明中优选对不同类型的单元之间的连接形式采用节点自由度约束进行连接。

另外，本发明中对于网格单元的材料属性的设定，结合实际情况，分别为各部分的网格单元设定对应的材料属性；例如对于厂房主体部分1通常由混凝土浇注而成，因此对于相应由混凝土浇注而成的部分设置其相应的混凝土所对应的材料密度等属性参数；同理，对于基岩部分2则根据实际项目中的基岩的相应密度等属性参数进行设定。不失一般性，上述材料属性中对应的参数，可通过相应的试验方法进行测定以获取。

另外，本发明中在对网格的材料属性进行设定时，对于其中的弹性模量的设定，按照如下设定方式：设置厂房主体部分1的弹性模量的取值为厂房主体部分1实际所用材料所对应的静弹性模量值；设置基岩部分2的弹性模量的取值为基岩部分2实际所用材料所对应的静弹性模量值。上述直接将相应的静弹性模型值作为模型计算的弹性模量取值，其好处是：由于通常情况下厂房主体部分1为混凝土材料，而基岩部分2通常为岩体，相应的混凝土材料以及岩体的动弹性模量均大于其静弹性模量，同时因在对河床式厂房进行有限元动力分析时，其动位移值将随着弹性模量取值的增加而减小，而动位移又是体现振动强度的重要指标，因此为了保证分析结果的安全性，本发明中优选采用比其实际动弹性模量值更小的静弹性模量值作为计算所用的弹性模量值。当然，不失一般性，本发明中对于相应材料的静弹性模量值可通过相应的实验测量方法测量后得到。

另外，考虑到厂房主体部分1通常由混凝土浇注而成时，因此结合不同混凝土标号所对应的弹性模量值大小，本发明中可进一步设置厂房主体部分1的弹性模量取值直接为相应标号混凝土对应的静弹性模量值，这样即可直接通过相应的规范性文件直接获取相应的静弹性模量值，可避免对相应的混凝土的静弹性模量进行实验测定。同理，结合常规岩体的弹性模量值大小，本发明也可优选基岩部分2的弹性模量取值为相关规范中所规定的相应岩体的静弹性模量值，相应的只需要明确实际项目中的基岩部分2的岩体类型后，即可通过相关规范文件查阅其对应的静弹性模量值，可避免通过额外的实验方法测定其静弹性模量值。

另外，本发明中在对网格单元的材料属性进行设定时，对于其中的阻尼比的设定，按照如下设定方式：设置厂房主体部分1的阻尼比和基岩部分2的阻尼比均为0.07。理论上，在对水电站河床式厂房进行有限元动力分析时，阻尼比取值的增大会减小厂房结构模型的动力响应；根据《水工建筑物抗震设计规范》DL5073规定，厂房结构阻尼比可以取值0.07，因此本发明结合《水工建筑物抗震设计规范》的规定，同时考虑到厂房主体部分1通常为混凝土形式，因此设定厂房主体部分1的阻尼比为0.07。另外，由于基岩部分2的阻尼比一般大于混凝土的阻尼比，因此本发明为了保证分析结果的安全性，进一步也设置基岩部分2的阻尼比取值与厂房主体部分1的阻尼比一致，均为0.07。

另外，本发明中对于边界条件的设定为对基岩部分2上的底部端面21以及沿河道流向的上游端端面22和下游端端面23分别设置粘弹性人工边界，对基岩部分2上沿河道宽度方向的两侧侧面24分别设置法向约束。之所以在相应的底部端面21、上游端端面22和下游端端面23上分别设置站弹性人工边界，其目的是用以模拟远场无限地基的辐射阻尼效应，使模型更为符合实际情况，可有效地提高有限元分析结果的准确性，同时还可避免基岩部分2的选取范围过大而导致计算量几何级数增大的问题；而且粘弹性人工边界具有方便实现、计算精度高、稳定性强等优点，是解决近场波动问题的一种重要手段，也是目前有限元动力分析较为成熟的一种边界模拟方法。

同时，由于本发明构建的三维结构模型中对基岩部分2上沿河道宽度方向上的两侧侧面24为与厂房主体部分1上相应的两侧侧面平齐，即未构建沿河道宽度方向上位于厂房主体部分1两侧的挡水坝段下方的基岩部分，主要原因是因为位于厂房主体部分1两侧的挡水坝段下方的基岩部分对厂房主体1的影响较小，因此在保证分析结果准确性的情况下，通过上述设置后可有效地降低模型的计算量，提高计算效率。同时本发明中对基岩部分2上沿河道宽度方向的两侧侧面24分别设置有法向约束，即对基岩部分2上沿河道宽度方向的两侧侧面24的法向方向的自由度设置了固定约束，而对其他方向上的自由度并未设置约束；这样设置也可在一定程度上确保分析结果的准确性。

另外，由于本发明所述的水电站河床式厂房，其受到挡水坝上游水体3以及下游水体4等的影响较大，因此在进行有限元分析时需要考虑相应水体的作用；为此本发明中进一步对水体质量进行模拟：并且采用附加质量法模拟上游水体3、下游水体4以及厂房主体部分1内部流道内的水体。其中，所谓厂房主体部分1内部流道内的水体，指的是位于厂房主体部分1内的进水端流道11、蜗壳流道12以及尾水流道13内的水体。

而所谓附加质量法，是指将水体压力等效成质量附加在模型结构上以达到等效的动力响应的方法；该方法已作为一种通用的计算方法广泛应用于有限元动力分析中，本发明将其引用至对河床式厂房的有限元动力分析中。在本发明中，可将水电站河床式厂房上游水体3、下游水体4的压力按附加质量的形式施加于相应的迎水面上，以此实现考虑到上下游水体压力对分析结果的影响。更具体的，本发明中对于迎水面单位面积附加质量可近似等于由Westergaard提出的关于直立坝面的解，即由如下公式求得：

其中：P_w(h)—作用在迎水面水深h处的动水压力代表值；ρ_w—水体质量密度标准值；

H₀—迎水面水深；a_h—水平向设计地震加速度代表值。

而对于厂房主体部分1内部流道内的水体的质量模拟则可采取如下方式：将厂房主体部分1内部流道内的水重(质量)近似为均匀分布在流道内壁各节点上的质量单元，其中每个质量单元的质量通过如下方式求得：

m＝ρ△V/n

其中ρ为水的密度，△V为流道相应部位充满水时的水体体积，n为流道相应部位的内壁对应的节点数。

综上所述，采用本发明所述的设计方法，规范了基于有限元动力分析的水电站河床式厂房动力分析数值模型的设计，不仅提高了模型的整体质量，避免了相应要素选取不统一而造成的计算结果的差异性问题，而且采用本发明所述的设计方法后可确保分析结果的准确性以及缩短模型设计周期和计算分析所需时间。本发明所述的设计方法，可广泛适用于各基于有限元动力分析的水电站河床式厂房动力分析数值模型的设计中，并有利于统一该类水电站厂房模型的设计规范。

Claims (2)

1.水电站河床式厂房动力分析数值模型设计方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一、构建水电站河床式厂房的三维结构模型：根据实际项目工程中河床式厂房的设计结构或者实际结构，构建河床式厂房的三维结构模型；所述三维结构模型由厂房主体部分(1)和基岩部分(2)组成；所述基岩部分(2)的构建范围为：基岩部分(2)位于厂房主体部分(1)的下方以及沿河道流向的上、下游方向的边界至厂房主体部分(1)的外轮廓之间的距离不低于厂房主体部分(1)的高度H的两倍，基岩部分(2)沿河道宽度方向的边界与厂房主体部分(1)上沿河道宽度方向的两侧平齐；

步骤二、划分网格：对上述步骤一中构建的三维结构模型进行网格划分，并且设置厂房主体部分(1)的网格尺寸不大于基岩部分(2)的网格尺寸；

步骤三、设定网格单元类型：厂房主体部分(1)中的横梁结构(5)和立柱结构(6)均采用梁单元，厂房主体部分(1)中的楼板结构(7)和风罩结构(8)均采用板单元，厂房主体部分(1)中的其余结构采用实体单元；基岩部分(2)采用实体单元；

步骤四、设定材料属性：为网格单元设定对应的材料属性；其中对于弹性模量的设定为：设置厂房主体部分(1)的弹性模量的取值为厂房主体部分(1)实际所用材料所对应的静弹性模量值，设置基岩部分(2)的弹性模量的取值为基岩部分(2)实际岩体所对应的静弹性模量值；对于阻尼比的设定为：设置厂房主体部分(1)的阻尼比和基岩部分(2)的阻尼比均为0.07；

步骤五、设定不同类型的网格单元之间的连接形式：对不同类型的网格单元之间的连接形式采用节点自由度约束；

步骤六、设定边界条件：对基岩部分(2)上的底部端面(21)以及沿河道流向的上游端端面(22)和下游端端面(23)分别设置粘弹性人工边界，对基岩部分(2)上沿河道宽度方向的两侧侧面(24)分别设置法向约束；

第七步、模拟水体质量：采用附加质量法模拟上游水体(3)、下游水体(4)以及厂房主体部分(1)内部流道内的水体。

2.如权利要求1所述的水电站河床式厂房动力分析数值模型设计方法，其特征在于：基岩部分(2)的构建范围为：基岩部分(2)位于厂房主体部分(1)的下方以及沿河道流向的上、下游方向的边界至厂房主体部分(1)的外轮廓之间的距离为厂房主体部分(1)的高度H的两倍。