装配式U型混凝土渠道衬砌钢模具数值模拟研究

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12mm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8mm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12mm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(1WIZ)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8mm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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 装配式渠道防渗抗冻胀研究进展

1．2．1 装配式渠道防渗抗冻胀新型材料研究

1．2．2 装配式渠道防渗抗冻胀结构型式研究

1．2．3 装配式渠道防渗抗冻胀机理研究

1．2．4 装配式渠道防渗抗冻胀数值模拟研究

1．3 钢模具研究进展

1．3．1 钢模具材料型式研究

1．3．2 钢模具支撑体系研究

1．3．3 钢模具试验研究

1．3．4 装配式渠道钢模具研究

1．4 目前存在问题

1．5 本文研究目标和内容及技术路线

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

1．5．3 研究方法及技术路线

第二章 渠道钢模具静力学分析

2．1 引言

2．1．1 结构分析问题简述

2．1．2 等效应力理论

2．2 装配式混凝土衬砌渠道钢模具的有限元计算模型

2．2．1 渠道钢模具力学模型

2．2．2 渠道钢模具有限元模型

2．2．3 渠道钢模具模型材料及边界条件

2．3．2 不同厚度、不同加劲肋数量和位置钢模具应力分析

2．3 计算结果与分析

2．3．1 不同厚度、不同加劲肋数量和位置钢模具变形分析

2．3．3 不同厚度、不同加劲肋数量及位置钢模具应变分析

2．4 本章小结

第三章 渠道钢模具模态分析

3．1 引言

3．2 渠道钢模具有限元模态分析计算模型

3．2．1 渠道钢模具模态分析力学模型

3．2．2 渠道钢模具有限元模型

3．2．3 约束处理

3．2．4 材料性能系数确定

3．3 计算结果与分析

3．3．1 渠道钢模具固有频率分析

3．3．2 渠道钢模具振型分析

3．4 本章小结

第四章 渠道钢模具简谐荷载下动力响应分析

4．1 引言

4．2 渠道钢模具在简谐荷载作用下有限元计算模型

4．2．1 渠道钢模具力学模型

4．2．2 渠道钢模具有限元模型

4．2．2 约束及荷载

4．2．3 材料性能系数

4．3 计算结果与分析

4．3．1 变形分析

4．3．2 等效应力分析

4．3．3 外荷载频率对结构动力响应分析

4．4 本章小结

第五章 渠道钢模具动态试验研究

5．1 材料与方法

5．1．1 试验资料

5．1．2 试验方案及布置

5．1．3 DH5922N动态信号测试分析系统

5．2 试验结果分析

5．2．1 振动对底板面影响

5．2．2 振动对加劲肋影响

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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