摘要：國內水利水電工程建設目前正處于前所未有的蓬勃發展時期，許多低水頭徑流式水電站建設逐步在我國的江河上興建，其中燈泡貫流式水電站由于流道平坦，機組過流量大、單位轉速高、效率高、尺寸小、重量輕、能量及經濟指標好等優.點成為目前比較普遍的一種開發型式。然而，由于燈泡貫流式水電站廠房獨特的布置型式，致使應力分布有不同于常規水電站廠房的特點，特別是在高地震烈度區修建的燈泡貫流式水電站。因此，本項目的研究分析具有十分重要的現實意義。

關鍵詞：燈泡貫流式水電站 靜 動力計算分析

3廠房結構靜動力分析在ANSYS上的實現

3.1 ANSYS軟件介紹[77]

ANSYS是由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS公司設計開發的大型通用有限元分析軟件，是第一個通過IS09001質量認證的大型分析設計類軟件，被美國機械工程師協會(ASME )、美國核安全局(NOA)及近二十種專業技術協會認證的標準分析軟件，已在國務院十七個部委推廣使用。

3.1.1 ANSYS軟件簡介

ANSYS軟件融結構、熱、流體、電、磁、聲學多個領域為一體，能與多數CAD軟件接口(如Pro/Engineer， NASTRAN， Alogor， I-DEAS， AutoCAD等)實現數據的共享和交換，是現代產品設計中的高級CAD工具之一。它具備功能強大、兼容性強、使用方便和計算速度快等優點，是目前最為流行的有限元軟件之一，廣泛應用于核工業、鐵道、石油化工、航空航天、機械制作、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、生物醫學、水利、日用家電等一般工業和科學研究領域，是目前世界上唯一可以進行禍合場運算的有限元分析軟件。

ANSYS軟件提供了不斷改進的功能清單，具體包括結構高度非線性分析、電磁分析、計算流體力學分析、設計優化、接觸分析、自適應網格劃分以及利用ANSYS參數設計語言擴展宏命令功能[77]。

軟件基本的模塊包括前處理模塊(PREP7)、分析計算模塊(SOLUTION)和后處理模塊(POSTl和POST26 )三個部分。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型;分析計算模塊包括結構分析(可進行靜動力學分析、非線性分析和熱學分析等)、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的禍合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力;后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結構內部)等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 ANSYS構架分為兩層(圖3-1)，一是起始層(Begin Level)，二是處理層(Processor Level)。這兩個層的關系主要是使用命令輸入時，要通過起始層進入不同的處理器。

ANSYS軟件的基本構成為:

(1)節點(Node):節點是構成有限元系統的基本對象，是整個工程系統中的最基本點，工程系統中的一個點的坐標位置。其具有物理稱義的自由度，該自由度為結構系統受到外力后系統的反應。

(2)單元(Element):單元是節點與節點相連而成，單元的組合由各節點相互連接。單元是構成有限元系統的基礎，在具有不同特性的材料和不同的結構當中，可選用不同種類的單元，單元中包含了物理對象的各種特性，ANSYS提供了100多種不同的單元類型，合適的單元選擇將可以大大提高計算精度和效率，故使用時必須慎重選擇單元型號。

(3)自由度(Degree Of Freedom):自由度在ANSYS中有重要意義，可以表示工程系統受到外力后的反應結果。其不僅有整體系統的自由度，要在分析中進行適當約束，而且每個節點也有自由度，都有各自的坐標系和對應的節點自由度，并且不同單元上的節點具有不同的自由度。因此在結構分析中選擇合適的單元顯得尤為重要。

ANSYS軟件主要技術特點有以下幾個方面:

(1)唯一能實現多場禍合分析的軟件;

(2)唯一實現前后處理、求解及多場分析統一數據庫的一體化大型FEA軟件;

(3)唯一具有多物理場優化功能的FEA軟件;

(4)唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件；

(5)強大的非線性分析功能;

(6)多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置;

(7)支持異種、異構平臺的網絡浮動，在異種、異構平臺上用戶界面統一、數據文件全部兼容;

(8)強大的并行計算功能支持分布式并行及共享內存式并行多種自動網格劃分技術;

(9)良好的用戶開發環境;

(10)支持的圖形傳遞標準，如SAT， Parasolid， STEP;

(11)與CAD軟件的接口，nigraphics， Pro/ENGINEER， I-Deas， Catia， CADDS， SolidEdge， SolidWorkso

3.1.2 ANSYS在土木工程中的應用

ANSYS在世界范圍內已經成為土木建筑行業分析軟件的主流，其在鋼結構和鋼筋混凝土房屋建筑、體育場館、橋梁、大壩、銅室、隧道以及地下建筑物等工程中得到了廣泛的應用，可以對這些結構在各種外載荷條件下的受力、變形、穩定性及各種動力特性做出全面分析，從力學計算、組合分析等方面提出了全面的解決方案，為土木工程師提供了功能強大且方便易用的分析手段。

ANSYS自身具有強大的實體建模技術和三維建模能力，可通過自頂向下或自底向上的方式和布爾運算、坐標變換等多種手段，建立起諸如體育場館、橋梁、大壩等真實地反映工程結構的復雜三維幾何模型。ANSYS提供了智能網格和映射網格兩種基本網格劃分技術和局部細分等多種網格劃分工具，可完成精確的有限元模型。其還具有與CAD軟件專用的數據接口，能實現與CAD軟件的無縫幾何模型傳遞，實現不同分析軟件之間的模型轉換，并可讀取多種格式的圖形標準文件。

ANSYS的計算結果不但可以直觀地用圖形顯示出來，為定性地判斷計算結果和和設計的合理性帶來了極大的方便，還可以把計算結果列表的形式輸出，并對結果數據進行多種計算處理，使用戶定量地計算數據，準確地得出分析結論。提供了許多數據后處理工具，如數據排序、數據運算、單元表、路徑結果運算、誤差估計、響應譜生成、單點疲勞分析、支反力計算、時間相關數據處理、應力線性化等。ANSYS還提供有計算報告生成器，按用戶選定的報告模板或用戶申定義的模板生成一個圖文并茂的分析報告。

軟件可實現結構的靜力和動力分析，計算結構的整體和局部失穩;給出結構的自振頻率和振型;計算結構在水流、大風、運動車輛載荷和地震載荷等動載荷作用下的響應;結構構件與支撐部位間的接觸狀態;錨固鋼纜、預應力鋼筋、鋼支撐等鋼結構強度分析及其與巖土和混凝土之間的相互作用:斜拉橋、懸索橋等橋梁的鋼絲束靜動強度分析等等。可任意設定荷載工況，并可完成各種復雜的靜、動荷載以及溫度荷載工況組合，.能很方便地計算出結構所承受的彎矩、扭矩、軸力以及應力分布和變形情況，找出橋梁在各種運動車輛荷載作用下的最不利位置，ANSYS還可模擬混凝土對鋼筋的握裹約束作用以及素混凝土或鋼筋混凝土的壓碎與開裂、收縮與徐變，大體積混凝土在溫度和外力作用下裂隙的分布與擴展過程?？蓪Ω鞣N施工過程進行模擬，如桿件的拼裝過程、斜拉橋的調索過程、預應力鋼筋的張拉過程、混凝土的澆筑過程;模擬地下洞室在高地應力和巖石流變作用下圍巖與襯砌的相互作用，以選擇最佳建造時間;模擬隧道和洞室在不同施工條件下、不同開挖順序下，邊幫及底板的回彈、錯動以及高地應力區巖爆發生的過程:隧道開挖過程仿真及優化開挖順序;爆破及地震應力波的傳播及其對結構的破壞作用;大壩和道路施工過程仿真。土壤在地震等載荷作用下對結構的作用:邊坡的穩定性分析;建筑物、支撐、深基、樁等的承載能力與沉陷分析;樁基與土體的禍合分析;在復雜巖基中，邊坡和洞室錨固效果分析:巖土節理、裂隙、斷裂、巖層等復雜地質特點的力學仿真?？蓪Ω鞣N結構的參數和拓撲優化設計;對各種建筑物的加固與修補。此外，利用ANSYS提供的完善的、多層次的二次開發功能，以ANSYS已有程序為基礎平臺，可以開發出各種典型土木結構專用分析子程序、行業規范驗算程序、特殊處理工具等，從而形成自身的可長期持續應用和發展的分析系統。

軟件的結構分析功能包括非線性(材料非線性、幾何非線性和接觸非線性)、動力學(模態分析、瞬態動力分析、諧波響應分析、響應譜分析和隨機振動分析)、疲勞、斷裂力學及復合材料分析。其涉及結構、熱、流體力學、電磁場等學科，能有效地進行各種場的線性和非線性計算及多物理場相互影響的禍合分析。如在結構計算時考慮溫度的影響時，就要使用熱一結構禍合。多場禍合計算是此產品的突出特色。

此外，軟件還具有一些其他功能，如子模型，可以在不增加整個模型復雜性和計算量的前提下獲得結構中特定區域更為準確的結果，亦可用于研究局部結構的變化情況:子結構，把部分結構等效為一個獨立單元，可大大節省求解運算時間并提高建模效率:單元死活，可以用來模擬材料添加與去除過程，如山體開挖、大壩修筑、焊接問題等;優化(參數優化和拓樸優化)，用來達到用戶預設的優化目標或在指定材料用量后確定結構剛度最大的拓撲形狀;隨機有限元，用概率統計的方法來研究多個不確定輸入數據導致的輸出數據的不確定性;二次開發，允許用戶用APD以ANSYS參數化設計語言)、用戶子程序、外部命令、UIDL(用戶界面設計語言)對軟件進行開發。

ANSYS對土木工程的一些熱點問題有其獨特的實現方法，如預應力施加及計算、施工過程模擬、空間動態載荷模擬等。

ANSYS在我國的很多大型土木工程中都立下了汗馬功勞，利用ANSYS進行土木工程分析的例子不勝枚舉，如:目前中國最高的建筑—88層樓的上海金茂大廈、上海浦東二十一世紀中心大廈、深圳南湖路花園大廈、國家大劇院、上?？萍拣^太空城、南陽體育中心體育館、廣州市新體育館主場館、山東濰坊富華水上娛樂中心水上皇宮、重慶市標志建筑朝天揚帆、上海新國際博覽中心一期、黃河下游特大型公路斜拉橋、黃州大橋V形剛構的仿真、龍首電站大壩、九甸峽大壩、東深供水改造工程、南水北調工程、金沙江溪落渡電站、二灘電站、龍羊峽電站，三峽工程等等。此外，同濟大學橋梁系用ANSYS設計分析了各種橋梁、清華大學利用ANSYS研究和設計了新型“大跨度雙向拉索斜拉橋”和“大跨度雙向拉索懸索橋”(己獲專利)、西南交通大學土木工程學院用ANSYS模擬引水工程隧道的施工過程，武漢大學土木建筑工程學院用ANSYS研究和設計了拱壩、面板堆石壩、復雜地下洞室群、大型輸水結構，并模擬了其施工力學過程。

3.2.1 水電站廠房結構靜力分析[78]

靜力分析計算在固定不變載荷作用下結構的響應，它不考慮慣性和阻尼影響--如結構受隨時間變化載荷作用的情況?？墒牵o力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結構的影響(如重力和離心力)，以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化載荷(如通常在許多建筑規范中所定義的等價靜力風載和地震載荷)的作用。

水電站廠房三維有限元結構靜力分析主要是研究水電站廠房在自重、靜水壓力、發電設備自重、波浪壓力、泥沙壓力以及揚壓力共同作用下水電站廠房結構的應力、應變和變位。ANSYS軟件在計算結構靜力問題時主要遵循以下流程：

3.2.2 水電站廠房結構動力分析

水電站廠房的動力分析主要研究廠房在地震、機組振動等動力荷載作用下的響應。廠房結構由于地震激發引起震動，從而使結構產生隨時間變化的位移、速度、加速度、內力和變形，這種作用在短時間內完成。ANSYS中對水電站廠房動力分析主要是對其進行抗震分析，譜分析是一種有效方法[77，79]。

譜分析是一種將模態分析結果和已知譜聯系起來，然后計算模型位移和應力的分析技術。在ANSYS軟件中，譜分析替代時間歷程分析，主要用于模型在確定荷載或隨機荷載作用下，獲取結構的響應情況。

反應譜代表單自由體系對歷時荷載函數的響應。它是響應與自振頻率的關系曲線，其中響應包括位移、速度、加速度和力。ANSYS中有兩種反應譜分析：單點反應譜分析（Single Pt Resp）和多點反應譜分析(Multi Pt Resp)。其中，單點反應譜分析表示只在模型的一個點集上定義一條或一族反應譜曲線，而多點反應譜分析可以在模型的不同點集上定義不同反應譜曲線。

ANSYS軟件在進行地震譜分析主要包括一下幾步，流程見圖3.3。

(1)創建有限元模型

通過創建點、線、面、體建立水電站廠房的實體模型，選取適當的單元類型，設置單元實常數，定義材料類型，最后通過自由或者映射剖分方法劃分有限元模型。由于只有線性行為在譜分析里面是有效的，所以在選取單元是非線性單元被當作線性單元來使用。

(2)獲得模態解

模態分析是一個線性分析，任何非線性分析選項，如塑性或著間隙單元，即使定義也將被忽略。在模態分析中，只可以施加零位移約束，如果在某個位置上指定了一個非零位移的約束，則程序將以零位移約束代替該約束。在未加位移約束的方向上，程序將計算剛體運動（零頻）以及高階（非零頻）自由體模態。如果指定了除位移約束外的其他荷載，則這些荷載將在模態提取中被忽略。但是，程序會計算出相應于所加荷載的荷載矢量。模態的提取方法有Block Lanczos、子空間、縮減三種方法。

Block Lanczos：分塊Lanczos方法。該方法采用一組特征向量來實現Lanczos迭代計算。其內部自動采用稀疏矩陣直接求解器（即使指定了求解器）。這種方法的精確程度與子空間方法一樣，但速度更快。當知道系統的頻率范圍是，用分塊Lanczos法是不錯的選擇。此時，程序求解高頻部分的速度與求解低頻部分的速度幾乎一樣快。

子空間（Subspace）：該方法采用子空間迭代技術，默認使用的求解器是雅可比共扼梯度求解器JCG。由于該方法采用完整的[K]和[M]矩陣，所以其計算精度很高，但是速度很慢。這種方法通常用于無法選擇主自由度（MDOF）的情況，特別是對大型對稱特征值求解時。

縮減法：該方法用主自由度（MDOF）來計算特征值和特征向量。主自由度方法在計算過程中盡管可以生成精確的[K]矩陣，但只能生成近似的[M]矩陣，這將導致一定的質量損失。因此，這種方法盡管速度非?？?，但是精度卻不是很高。其計算精度取決于主自由度的數目和位置。

(3)獲得譜解

反應譜可以是位移、速度、加速度或力。除了力譜外，其他三種代表地震譜，也就是它們被假定施加在基礎上。力譜可以施加在模型的任何位置。

(4)擴展模態

模態分析中，所要求的主要是頻率和振形，這些內容被寫到輸出文件Jobname.OUT及振形文件Jobname.MODE中。但是，由于振形并沒有寫入到數據庫或者結果文件中，因此不能對結果進行后處理，要進行后處理，還需要對模態進行擴展。

所謂擴展，就是將振形寫入到結果文件中。如果想要在后處理中查看振形，必須首先將模態進行擴展。

(5)合并模態

反應譜分析首先得到的是系統各階模態下的位移反應譜，但是，這并不代表已經求得了系統在整個模態中的響應，這些模態響應之間存在耦合，并且，由于所有模態的最大值不可能同步出現，所以，直接把各階模態響應直接相加是不符合實際情況的。

ANSYS軟件中對模態響應譜組合的方法有：CQC方法（全二次組合）、GRP方法（分組組合）、DSUM方法（雙求和方法）、SRSS方法（先求平方和、再求平方根的組合方法）

(6)查看結果

在POST1中可以查看結構的變形，顯示應變、應力等值線圖。