筑坝技术水利水电论文提纲

论文题目：基于比例边界有限元的岩土工程精细化分析方法及应用

摘要：为推动能源清洁低碳化转型,加快实现非石化能源比重的发展目标,我国提出了超前谋划水电等清洁能源的发展布局,并在西南和西北地区规划和开工建设了一批高坝大库,其中高土石坝等土工构筑物约占50%。但由于我国西南和西北地处活跃地震带区、强震频发、对结构潜在破坏力强,一旦强震导致的高坝破坏将产生难以估量的失事后果及次生灾害,严重威胁国民生命财产安全及地区经济发展,使得我国高土石坝等土工结构的抗震安全问题尤为突出。因此,确保工程平稳运营,开展地震安全性能评价研究具有重大的理论和工程意义。精细化可进一步提高分析的合理性和准确性,是国内外数值分析的必然趋势。由于此类构筑物地形条件和结构复杂,且同时考虑结构-无限地基、材料界面相互作用等问题,对精细化分析提出了较高的要求,因此高土石坝等土工构筑物在精细化分析研究方面成果很少。此外,此类工程体量庞大（一般高度超过百米,长和宽超过1公里）,同时存在着防渗面板、防渗墙等关键的小尺度部件（最小厚度约0.3m）,结构自身尺度相差十分悬殊（可达数百倍至千倍）,使得采用传统技术难以高效地建立精细的分析网格。因此,发展能准确描述结构关键核心部件损伤破坏过程的跨尺度网格离散和分析技术,对高土石坝等进行精细化抗震分析研究,具有重要研究意义和工程应用价值。本文结合国家重点研发计划“强震作用下特高土石坝多耦合体系损伤演化机理及安全评价准则研究”,国家自然科学基金“极震荷载下筑坝堆石料变形特性及特高堆石坝极限抗震能力研究”和重要水利水电工程“如美高心墙堆石坝计算研究”、“考虑坝-基-库水体系相互作用的大石峡水利枢纽工程面板坝三维非线性静、动力精细化有限元分析”、“新疆阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板堆石坝专题研究”等。针对大型土工构筑物静-动力分析和抗震安全评价存在的网格精细化、非线性等计算分析问题,基于比例边界有限元（Scaled Boundary Finite Element Method,SBFEM）理论,主要开展了下述工作:（1）采用高效的四分树/八分树离散技术进行结构跨尺度精细网格生成,并开发了单元格式转换等相关配套处理程序,实现了操作简便、低人力成本、易修改的精细化模型生成,解决了以高土石坝为代表的大型复杂岩土工程结构网格精细化、高效离散的问题。（2）引入多边形平均值函数插值多面体边界面单元,通过SBFEM弹性理论推导获得半解析的单元形函数和应变位移矩阵,发展了三维比例边界复杂多面体单元,可求解传统方法难以直接计算的八分树单元,提高了分析方法的灵活性、通用性和鲁棒性,实现了工程结构跨尺度精细化分析。（3）采用边界高斯积分点和常刚度矩阵,构造单元形函数和应变位移矩阵;然后在比例边界单元域内增加积分点求解协调矩阵、刚度矩阵和应力积分等,发展了可用于弹塑性分析的比例边界二维多边形及三维多面体单元,解决了传统SBFEM难以进行非线性分析的问题。（4）联合平均值多边形插值和界面单元理论,构造了空间多边形三维界面单元,解决了传统Goodman单元难以直接求解多面体单元界面的问题,与前述工作共同集成了可考虑无限地基-土体-界面-结构相互作用的全体系跨尺度精细化分析方法。（5）采用面向对象设计方法和单元封装技术,抽象出SBFEM与FEM单元构造的共同属性,统一了两种数值分析方法程序开发接口,在课题组GEODYNA有限元软件平台上集成了新发展的数值算法,实现了基于单元库的SBFEM-FEM无缝耦合计算;根据八分树离散的正方体单元具有几何相似的特点,提出了高效的非线性相似单元加速技术,显著改善了大规模弹塑性精细分析的求解效率。本文发展的跨尺度精细化分析方法己成功应用于如美（世界最高心墙坝,315m）、大石峡（在建最高面板坝,247m）、三澳核电等十余项重大水电、核电工程,并拓展应用于地铁结构的地震损伤破坏评价,具有很好的推广应用前景。

关键词：弹塑性比例边界有限元;跨尺度精细化分析;多边形/多面体单元;高效四分树/八分树离散;高土石坝;岩土工程

学科专业：水工结构工程

摘要

ABSTRACT

主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 重大工程建设世界瞩目

1.1.2 大型岩土工程精细化分析必要性

1.1.3 网格精细化分析是工程领域的分析趋势

1.1.4 精细化网格的建模难点

1.2 相关工作研究进展

1.2.1 多尺度分析方法发展概述

1.2.2 比例边界有限单元法发展概述

1.3 本文主要研究思路

2 跨尺度建模方法与比例边界有限单元法介绍

2.1 基于多边形/四分树/八分树的跨尺度建模方法

2.1.1 高效网格离散方法

2.1.2 高效网格离散生成的单元特点

2.2 比例边界有限单元法

2.2.1 比例中心要求

2.2.2 边界离散

2.2.3 弹性力学控制方程

2.2.4 比例边界坐标转换

2.3 比例边界有限单元形函数

2.4 比例边界有限元方法实现

2.5 小结

3 复杂多面体单元和空间多边形界面单元构造

3.1 引言

3.2 多边形形函数的选择以及显式表达

3.3 复杂多面体比例边界有限单元构造

3.3.1 边界面类型

3.3.2 边界面形函数及偏导数

3.3.3 复杂多面体单元形函数

3.4 精度验证

3.4.1 Voronoi法离散网格

3.4.2 八分树离散网格

3.5 空间多边形界面单元构造

3.5.1 设置界面单元的必要性

3.5.2 多边形界面单元构造

3.5.3 精度验证

3.6 小结

4 二维非线性多边形单元方法

4.1 引言

4.2 非线性多边形比例边界有限单元构造

4.2.1 基本原理

4.2.2 实现非线性化过程

4.3 算例验证:混凝土重力坝震害分析-Koyna大坝

4.3.1 计算模型与参数

4.3.2 计算结果

4.4 带挤压边墙复杂面板坝结构数值分析

4.4.1 多边形过渡方案

4.4.2 计算方案

4.4.3 静动力计算

4.5 小结

5 三维非线性多面体单元方法

5.1 引言

5.2 基于SBFEM的非线性多面体单元构造

5.2.1 基本原理

5.2.2 单元应力应变场

5.3 非线性分析实现过程

5.3.1 高斯积分方案

5.3.2 非线性刚度矩阵计算

5.3.3 外力荷载向量计算

5.3.4 内力荷载向量计算

5.4 精度验证

5.4.1 悬臂梁结构分析

5.4.2 心墙坝弹塑性静动力数值分析

5.5 小结

6 基于SBFEM-FEM的耦合分析软件集成

6.1 引言

6.2 二次开发平台

6.2.1 GEODYNA简介

6.2.2 软件工程应用情况

6.3 基于比例边界有限元方法的单元类集成

6.3.1 SBFEM程序框架设计

6.3.2 多边形/多面体单元编码规则

6.3.3 多边形/多面体单元类集成

6.4 SBFEM-FEM无缝耦合计算

6.4.1 相似单元技术研发

6.4.2 耦合计算方案

6.4.3 SBFEM-FEM耦合分析算例

6.5 小结

7 重大工程精细化分析及损伤破坏模拟

7.1 引言

7.2 自适应八分树离散

7.2.1 准备工作

7.2.2 跨尺度精细网格离散

7.3 跨尺度精细化分析

7.3.1 材料参数定义

7.3.2 分析结果

7.4 拓展分析应用:大开地铁震害再现

7.4.1 跨尺度有限元分析模型

7.4.2 材料参数与分析结果

7.5 小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 展望

参考文献

致谢