CC BY
39
Федотов М. В. Водопропускные трубы в транспортном строительстве: гидравлическая работа труб из металлических гофрированных структур: монография . - М.: МАДГТУ (МАДИ), 2012. - 240 с.
3. Рабухин Л. Г., Цивин М. Н. О глубине потока на выходе из водопропускных труб: Известия вузов. Строительство и архитектура: сборник науч. трудов. - Новосибирск, 1971. - № 3. - С. 51-55.
4. Hydraulic design of highway culverts. U. S. Department of Transportation. Hydraulic design series number 5. Third edition. Publication No. FHWA-HIF-12-026. April 2012. - 326 р.
5. Экспериментальный стенд для гидравлических исследований моделей дорожных гофрированных водопропускных труб с гладким лотком по дну: патент РФ №2458263 RU C1 МПК F15B 19/00 / В. И. Алтунин [и др.]; заявл. 21.04.2011; опубл. 10.08. 2012. - Бюл. № 22. - 2012. - 8 с.
Материал поступил в редакцию 10.06.13. Алтунин Владимир Ильич, кандидат технических наук, доцент Тел. 8 (499) 155-03-16 E-mail: chatra@mail.ru Черных Ольга Николаевна, кандидат технических наук, профессор Тел. 8 (499) 976-24-60
УДК 502/504 : 627.8 : 004 А. М. БЕЛОСТОЦКИЙ
Научно-исследовательский центр СтаДиО, Москва
Д. С. ДМИТРИЕВ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ ПО ЗАДАННЫМ АКСЕЛЕРОГРАММАМ (С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS)
Представлено сравнение различных методов динамического расчета гидротехнических сооружений в программном комплексе ANSYS. Приведено краткое описание используемых методик,их преимуществ и недостатков.
Динамические расчеты, акселерограмма, учет взаимодействия сооружения с водой, ANSYS mechanical APDL, задача Вестергарда.
There is given a comparison of different methods of dynamic calculation of hydraulic structures in the software complex ANSYS. The brief description of the used methods,their advantages and disadvantages is given.
Dynamic calculations, accelerogram, accounting of the structure interaction with water, ANSYS Mechanical APDL, Westergaard's task.
С повышением требований к уров- ских расчетах гидротехнических соору-
ню безопасности крупных энергетических жений. Методика должна удовлетворять
объектов возникла потребность в разра- следующим требованиям:
ботке методики влияния сейсмического иметь сходство результатов расчета с
воздействия на гидротехнические соору- данными, полученными по методике, офи-
жения с применением современных рас- циально рекомендованной строительны-
четных программных комплексов. ми нормами и правилами (метод с исполь-
Авторами проведена научно-техни- зованием присоединенной массы воды,
ческая работа, задача которой - создание вычисленной заранее);
методики учета водной среды в программ- процесс моделирования конечно-
ном комплексе ANSYS при динамиче- элементной модели и задания граничных
условий должен быть относительно простым;
максимально экономить компьютерный ресурс.
В конечном итоге такая методика позволила бы проводить более точные динамические расчеты гидротехнических сооружений различных типов и конструкций.
Для апробации различных методов моделирования и расчета гидротехнических сооружений было решено взять задачу малой размерности, а именно задачу Вестергарда, с аналогичной расчетной схемой и рядом допущений [1, 2]. Задачу решали в плоской постановке, реали-зовывая случай плоской деформации.
Расчетная схема рассматриваемой задачи имела следующие параметры (рис. 1): водоподпорное сооружение с вертикальной напорной гранью прямоугольной формы представляет собой стену высотой 6 м и шириной 2 м;
основание водоподпорного сооружения жестко закреплено (ограничены все узловые степени свободы конечным элементам модели сооружения);
для реализации случая плоской деформации всем узлам на боковых гранях
Сейсмическое воздействие задано в виде акселерограммы. Акселерограмма представлена функцией f = 3 sin (60Х), время акселерограммы 0,5 с, максимальное и минимальное значения ускорений
сооружения в плоскости ZY заданы ограничения перемещения вдоль оси Y (UY = 0);
материал сооружения принят упругим и изотропным; модуль упругости Е = 2,7х 107 кПа; плотность р =2,2 т/м3;
со стороны верхнего бьефа моделируется водный массив конечной глубины 5 м и длины 15 м;
демпфирующие свойства основания и материала водоподпорного сооружения не учитываются.
1
2 м
Рис. 1. Расчетная схема рассматриваемой задачи: голубым цветом показан водный массив, фиолетовым - водоподпор-ное сооружение
Чтобы получить сравнительные данные и оценить правильность того или иного метода решения, было проведено несколько серий расчетов на моделях с различным способом учета водного массива. Параметры этих моделей приведены в табл. 1.
- 3 и - 3 м/с2 соответственно (рис. 2). Упрощенный вид исходной акселерограммы и малый промежуток времени воздействия обусловлены необходимостью правильно оценить степень влияния
Таблица 1
Параметры рассчитываемых конечно-элементных моделей
Тип модели Тип используемого конечного элемента Размерность задачи
Число элементов Число узлов
Модель без учета водного 8ОТШ45 - объемный 96 195
массива восьмиузловой КЭ
Модель с учетом 8ОТТГО45 - объемный 96 195
присоединенной массы воды, восьмиузловой КЭ
рассчитанной по СНиП 11-7-81 МАв821 - элемент 15 15
сосредоточенной массы
Модель с учетом водного 8ОТТГО45 - объемный 96 195
массива, моделированного восьмиузловой КЭ
элементами FLUID80 FLUID80 - элемент 600 1023
гидрогазодинамики
Модель с учетом водного 8ОТГО45 - объемный 96 195
массива, моделированного восьмиузловой КЭ
элементами "РТЛШЗО FLUID30 - акустический КЭ 600 1023
сейсмических ускорений на сооружение. По результатам расчета каждой из моделей выведены ускорения ЛХ и перемещения их для крайнего узла на верховой грани водоподпорного сооружения со стороны нижнего бьефа. Каждая из рассматриваемых моделей имеет некоторые особенности моделирования, которые были учтены при окончательном выборе метода учета водного массива. Расчеты первой модели, без учета водной среды, проводили для получения базовых данных работы сооружения с целью в дальнейшем оценить влияние массива воды. Процессы моделирования и расчета не имели особых сложностей. Во второй модели горизонтальную присоединенную массу воды рассчитывали по рекомендациям СНиП 11-7-81 на единицу площади: мв = Рвйту, (1)
где рв - плотность воды (1 т/м3); h - глубина воды у сооружения (5 м); |1 - безразмерный коэффициент (принят такой же, как для горизонтального поступательного движения недеформируемого сооружения с вертикальной напорной гранью); у - коэффициент, учитывающий ограниченность водоема.
3,2
2,4
1,6 > 0,8
н П я и
§-0,8 -1,6 -2,4
-3,2
I/ V
ческой среды FLUID80 [3]. Элементы FLUID80 являются восьмиузловыми объемными элементами, имеющими три узловые степени свободы (перемещения UX, UY, UZ). Данные элементы позволяют отображать свободную поверхность жидкости, показывать собственную форму колебаний при модальном расчете, но затрачивают много компьютерного ресурса. Водная среда учтена как несжимаемая упругая жидкость с плотностью р = 1 т/м3 и объемным модулем упругости Е = 2,06 1 06 кПа. Такой тип учета водной среды имеет определенные сложности в моделировании, связанные с заданием условий на границе «сооружение - жидкость».
В четвертой модели водный массив задавали акустическими элементами FLUID30 [3], которые являются восьмиуз-ловыми объемными конечными элементами с четырьмя узловыми степенями свободы (перемещения UX, UY, UZ и PRESS). Для жидкости были заданы следующие физические свойства: плотность р =1 т/м3 и скорость звука в воде v = 1400 м/с. Всем узлам, находящимся на контакте воды с ограничивающими поверхностями, задавали условия контакта - FSI, узлам на поверхности водного массива задавали условия свободной поверхности - FREE.
Для сравнения и оценки применяемых методов результаты расчетов всех четырех моделей сопоставили и нанесли на график (рис. 3). Разница в процентном отношении по ускорениям AX и перемещениям UX приведена в табл. 2.
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Время, с
Рис. 2. Исходная акселерограмма
Массу присоединенной жидкости определяли для 15 точек на глубинах 0,5; 1,5; 2,5; 3,5; 4,5 м. В центральный узел на напорной грани прикладывали полную посчитанную массу, в узлы на боковых гранях на той же глубине - половину вычисленной массы. Присоединенные массы прикладывали с использованием элементов MASS21 [3].
В третьей модели водный массив задавали элементами газогидродинами-
5' 2013
я 0,е + 00
а
| -1.е-04
-з.е-04--4.е-04-
ю иэю юиэиэюиэююююююиэюиэ о п о асчийн^^оофпяю«
О © © огн^нгнс^одсдсоотосч-^^-^ О ОО оооооооооооооо
Время, с
Рис. 3. Горизонтальные перемещения узла на верхней грани сооружения их,
м: красный цвет - элементы FLUID30; синий - элементы FLUID80; фиолетовый -вода учтена как присоединенная масса; зеленый - модель без учета водного массива
(4б)
Таблица 2
Результаты расчетов четырех моделей
Тип модели Максимальное значение ускорений AX, м/с2 Отклонение AXmax от значения, полученного по СНиП, % Максимальное значение перемещений UX, м Отклонение UXmax от значения, полученного по СНиП, %
Модель без учета водного массива 3,21 - 2,13*10-4 -
Модель с учетом присоединенной массы воды, рассчитанной по СНиП 11-7—81 4,33 - 3,42*10-4 -
Модель с учетом водного массива, моделированного элементами ЕЪиГО80 5,38 24 2,41*10-4 42
Модель с учетом водного массива, моделированного элементами ЕЪиГОЗО 5,27 22 3,52*10-4 3
* Примечание: максимальное значение ускорения (выдается без учета знака).
Выводы
Представлены результаты сравнения двух методов учета водного массива в сейсмических расчетах гидротехнических сооружений с использованием конечных элементов типа FLUID30 и FLUID80, которые показали следующее:
достаточно хорошее совпадение результатов, полученных по этим методам, с данными, полученными по официальным рекомендациям;
значительное сокращение времени расчета при использовании элементов FLUID30.
При более сложной форме сооружения и значительном увеличении времени акселелограммы результаты увеличиваются и отличаются от часто принимаемых, что может быть связано с влиянием волновых процессов в водном массиве. Рассматриваемые методики позволяют учитывать волновые процессы в отличие от методики, рекомендуемой строительными нормативами.
При проведении дальнейших исследований следует: существенно увеличить время акселерограммы; оценить влияние
конструкции, типа и формы поперечного сечения гидротехнического сооружения; оценить влияние демпфирующих свойств материалов.
1. Westergaard H. M. Water Pressures on Dams during Earthquakes// Proc. ASCE. - 1931. - Vol. 57. - № 9. - P. 1303-1318.
2. Кауфман Б. Д. Учет влияния неопределенных факторов при определении гидродинамического давления на платину // Инженерно-строительный журнал. -2012. - № 9. - С. 59-69.
3. Система помощи ANSYS 14.0 Mechanical APDL. - URL: www.ansys.com/ help/html (дата обращения 03.04.13).
Материал поступил в редакцию 13.05.13. Белостоцкий Александр Михайлович, доктор технических наук, профессор Тел. 8 (495) 737-40-81 E-mail: stadyo@stadyo.ru Дмитриев Дмитрий Сергеевич, аспирант
Тел. 8-915-145-16-76 E-mail: dmitriev.d.s@yandex.ru
