装配式U型混凝土渠道衬砌钢模具数值模拟研究

作     者：程传胜 

作者单位：宁夏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田军仓;王斌

授予年度：2016年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：装配式建筑物钢模具 U型渠道 数值模拟 ADINA 有限元模型 

摘      要：本文针对宁夏等北方地区装配式U型混凝土渠道出现的冻胀破坏、渠系水利用率低等问题,基于大量的实地调研和试验,运用大型有限元ADINA软件,对装配式D60 U型混凝土渠道衬砌钢模具建立了3D-SOLIDE有限元模型,对装配式U型混凝土渠道衬砌钢模具的位移变形和应力应变变化进行了较为系统的数值模拟分析,并以青铜峡市农业综合开发办混凝土预制场的现有装配式D60 U型混凝土渠道衬砌钢模具为研究对象,运用动态应变仪进行了动态应变观测试验,以此验证有限元计算的可行性,为装配式混凝土渠衬砌钢模具的优化设计提供理论依据,对灌区渠道节水技术改造具有指导作用。其研究结果如下：(1)通过对钢模具施加静力荷载进行数值模拟分析,钢模具的位移变形在直线段最大,弧线段次之,直线连接段和弧线段连接段最小;等效应力在直线连接段和弧线连接段最大,直线段和弧线段较小,纵向加劲肋的数量为2Z、3Z、4Z和5Z时,钢模具模型的最大变形分别为0.231mm、0.043mm、0.032mm和0.024mm,纵向加劲肋为3Z的钢模具模型的最大变形比纵向加劲肋为2Z减小了4.34倍,纵向加劲肋为4Z的钢模具模型的最大变形比纵向加劲肋为3Z减小了34.38%,纵向加劲肋为5Z的钢模具模型的最大位移变形比纵向加劲肋为4Z减小了33.33%;厚度为5mm、8mm、10mm和12mmm时,装配式U型混凝土渠道衬砌钢模具的最大变形分别为0.0564mm、0.0317mm、0.0265mm和0.0218mm,厚度为8mmm的钢模具模型的最大变形比厚度为5mm的钢模具模型减小了77.92%,并且钢模具的整体变形相对均匀;厚度为10mm的钢模具模型的最大变形比厚度为8mm的钢模具模型减小了19.62%,厚度为12mmm的钢模具模型的最大变形比厚度为10mm的钢模具模型减小了21.56%。通过综合分析,得出装配式U型混凝土衬砌渠道钢模具厚度为8mm或10mm、纵向加劲肋的数量为3根或4根、横向加劲肋的数量2根(直线段和弧线段分别布置1根)的布置型式为宜,其中钢模具厚度为8mm、纵向加劲肋为4根、横向加劲肋为2根(直线段和弧线段分别布置1根)的布置形式最优。(2)通过对钢模具进行模态分析,对于厚度为8mm和10mm、纵向加劲肋为3Z和4Z与横向加劲肋为2(1W1Z)的装配式混凝土衬砌渠道的钢模具的第一阶主振型的固有频率的范围为274.80Hz-345.92Hz;相同纵向加劲肋和横向加劲肋数量的不同厚度的钢模具、相同厚度和相同数量的横向加劲肋的不同纵向加劲肋数量的钢模具的相同阶数的振动变形形态并不完全相同,其原因是因为在不同厚度或者不同纵向加劲肋的钢模具的自身质量不同,导致装配式混凝土衬砌渠道钢模具的整体刚度不同,从而使得钢模具的振动形态发生变化。装配式混凝土衬砌渠道钢模具的第一阶主振型表现为在X-Y平面内的发生平动或弯曲变形,次振型表现为Y-Z平面内的发生弯曲变形,甚至出现扭转变形,在底板的不同部位出现鼓起状的振动。(3)通过对钢模具进行简谐荷载作用下的动力响应进行分析,当简谐荷载的频率一定时,装配式混凝土衬砌渠道钢模具结构的位移变形呈正弦波变化;厚度为8mmm和纵向加劲肋为3根及横向加劲肋分别布置在直线段和弧线段1根、厚度为8mm和纵向加劲肋为4根及横向加劲肋分别布置在直线段和弧线段1根、厚度为10mm和纵向加劲肋为3根及横向加劲肋分别布置在直线段和弧线段1根、厚度为10mm和纵向加劲肋为4根及横向加劲肋分别布置在直线段和弧线段1根的钢模具结构的主频率分别为274.80Hz、321.94Hz、295.22Hz和345.92Hz。(4)通过对现有D60型装配式混凝土渠道衬砌钢模具的动态应变试验,验证了对其进行扩展建模的有限元数值模拟分析的可行性。