水工结构中局部接触问题数值分析方法与应用研究

Conatct phenomenon is the common problem but avioded in hydro-structure engineering because of the limitations of numerical methods and calculation techniques within the basic fields about construction simulation, design calculation, stability analysis and health forecast of hydraulic engineering. Thus, the calculation precision of numerical methods is fall. Finite analysis methods of finite elastic block system is proposed based on current numerical methods. This method conquers the defects of discontinuous deformation analysis(DDA) and discrete element method(DEM), and, the main innovation works are made in this method as follows:①The mothods for static contact calculation and stability analysis in hydro-structure engineering are the modern methods which reflect the true state of deformation and stress and calculate the stability safety factors subjected to limit equilibrium conception.②The mothods for dynamic contact calculation in hydro-structure engineering are considered and investigated in the situations which structures are under the dynamic loded such as earthquake and slided integrally and collision each other.③The mechanism and characteristic of collisions are investigated such as changes of stress, energy loss, collision momentum in the course of collisions by the experiments about the situations of multiplicate material, different shapes, different combinations.④The contact characteristic and stability problems about contraction Joints of high arch dams, shell of hydraulic turbine, bedded underground are investigated by numercial software self-developed.

接触是水工结构工程中的常见问题，但以往由于受到计算方法和计算技术限制，在水电工程施工仿真、设计计算、稳定分析及健康预测领域基础计算中多回避采用接触计算方法，从而严重地影响了数值分析的精度。研究拟在目前流行的数值算法基础上，提出有限弹性块体系统有限元分析方法，以克服已有离散元法和DDA法的不足。主要创新工作有：①水工结构静力接触计算方法和稳定分析，研究既能反映结构的真实变形和应力状态、又能够应用极限平衡概念计算稳定安全系数的现代计算方法；②结构在地震等动力荷载作用下，均会发生整体的滑移及相互碰撞，重点研究考虑块体间相互碰撞的水工结构动力接触计算问题；③通过多种材料、不同形状、不同组合的试验，研究动接触碰撞过程中的应力变化、能量损失及碰撞冲量等物理特性和碰撞机理，精确地建立动力仿真计算的数学模型；④利用自行开发的计算软件研究高拱坝横缝、水轮机钢壳及层状地下洞室的接触特性和稳定问题。

接触是水工结构工程中的常见问题，除破碎岩体外，大部分非连续变形问题的接触面有限，即接触面相对于整个结构占比较小、并且接触面位置明确。本项目的目标主要是解决这类水工结构局部接触的仿真计算问题。现有的国际知名算法是离散元法和DDA方法，离散元法的缺点是为保证单元尺寸相对均匀，将连续体一同离散，程序采用统一的处理模式，影响计算效率；DDA方法理论上存在两点不足：一是块体的弹性变形采用等应变假设，需要精细的单元离散才能达到一定的计算精度；二是采用虚拟弹簧处理接触，会导致块体间的相互嵌入。.本项目将有限单元法与多体系统动力学理论相结合，单个块体内部相对变形由有限元方程控制，单个块体的移动由动力学方程控制，不同块体间通过接触力相互联系、由接触关系控制，联立方程组的未知量为接触力、跨块锚杆拉力和各块体整体位移变量，接触迭代控制在接触面上的有限变量之中，从而形成了解决水工结构局部非连续变形分析问题的多体系统有限元方法，并编制了基于计算机网络并行计算程序。研究对提高水电工程施工仿真、设计计算、稳定分析及健康预测领域基础计算的分析精度具有重要意义。为了给动接触计算提供参数，设计了碰撞恢复系数试验装置，进行不同材料和不同形状碰撞恢复系数试验。同时对地下工程和岩质高边坡中由岩体软弱夹层或层间错动带切割出的块体稳定问题，水轮机蜗壳中的钢壳和混凝土之间缝隙及联合受力，软土地基上水工建筑物地基与混凝土的接触，加固工程的新老混凝土接触等施工仿真问题进行了研究，取得了许多工程实用成果。.本项目主要研究成果已在学术期刊上发表3篇SCI论文、1篇EI论文、2篇（EI）国际学术会议论文及1篇国内核心期刊论文；1篇录用待刊EI论文和1篇国内核心期刊待刊论文；获中国航海学会科学技术三等奖1项；受理了2项国内发明专利；培育了5名博士和7名硕士研究生；分别进行了6次国际学术交流。目前尚有6篇与本项目研究有关的论文正在投稿中（EI以上刊源）。