水闸结构地震-水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统

摘要

本发明涉及水利工程抗震技术领域，公开了一种水闸结构地震‑水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统，包括：合成模块、模拟模块、计算模块和输出模块，合成模块用于将地震波和水流流激波进行耦合得到的人工合成波，模拟模块用于建立水闸结构模拟模型，并用于模拟人工合成波作用于水闸结构模拟模型上的动态过程，计算模块用于计算动态过程中的动力响应，并根据动力响应与动力特性分析水闸结构的破坏形态，输出模块用于根据动力响应输出水闸结构的动力响应数据图。本发明提供的水闸结构地震‑水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统能够为水闸结构的安全建立提供理论依据。

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程抗震技术领域，特别涉及一种水闸结构地震-水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统。

背景技术

引汉济渭工程的水闸结构数量多、规模大、服役环境复杂、关键技术难度大，尤其是在强震、水流、环境激励等多种随机因素耦合作用下将产生复杂的动力响应，对水工结构的安全运行构成严重威胁。水利水电工程枢纽中，水闸结构及附属的泄水设施如果遭受地震破坏，将会导致库水位上升，进而威胁大坝的安全。另外，大型电力设施的震害，会导致发电中断，对电网造成很大的冲击，对抗震救灾不利，还可能导致更加严重的次生灾害。

水闸门与启闭设施的地震响应受水流、环境激励的影响，具有显著的随机性和耦合性，由于将地震-水流耦合作用于水闸结构的实物结构难以制作，而简化的实物模型往往会影响试验计算的可信度，因此已有研究成果的理论方法尚不能合理、精确、高效地针对闸门与启闭设施进行地震-水流耦合动力响应分析，从而不能够对水闸结构的具体参数给出指导，进而无法确认水闸结构是否安全可靠能够抵抗地震-水流耦合作用。

发明内容

本发明提供一种水闸结构地震-水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统，为揭示水闸结构在地震-水流共同作用下的响应耦合机理提供技术支撑，为优化考虑流固耦合的水工结构物计算方法提供仿真模拟系统支撑。

本发明提供了一种水闸结构地震-水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统，包括：

合成模块，用于将地震波和水流流激波进行耦合得到的人工合成波；

模拟模块，用于建立水闸结构模拟模型，并用于模拟人工合成波作用于水闸结构模拟模型上的动态过程；

计算模块，用于计算动态过程中的动力响应，并根据动力响应与动力特性分析水闸结构的破坏形态；

输出模块，用于根据动力响应输出水闸结构的动力响应数据图。

可选的，合成模块通过分别输入地震波和水流流激波的频率、周期和振幅数据得到人工合成波。

可选的，计算模块包括计算动态过程中水闸结构各离散部位的动力响应。

可选的，动力响应包括加速度和位移。

可选的，各离散部位包括：门叶、支臂结构、连接件和启闭设施。

可选的，还包括放大模块，放大模块用于将动力响应放大，以便于进行动力分析。

可选的，还包括终端模块，终端模块用显示动力响应数据图。

可选的，动力特性包括水闸结构的固有频率以及阵型。

可选的，还包括验证模块，验证模块用于将水闸结构按比例缩小后得到水闸结构的实物模型，并通过对水闸结构实物模型施加与合成模块相同的人工合成波从而得到实物模型的动力响应，通过将实物模型的动力响应与计算模块中的动态响应进行对比从而验证模拟试验分析系统的可靠性，并根据对比结果进行调整。

可选的，验证模块包括：加速度传感器和位移传感器，其中，加速度传感器用于检测实物模型的加速度，位移传感器用于检测实物模型的位移。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种水闸结构地震-水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统包括合成模块、模拟模块、计算模块和输出模块，合成模块用于将地震波和水流流激波进行耦合得到的人工合成波，模拟模块用于建立水闸结构模拟模型，并用于模拟人工合成波作用于水闸结构模拟模型上的动态过程，计算模块用于计算动态过程中的动力响应，并根据动力响应与动力特性分析水闸结构的破坏形态，输出模块用于根据动力响应输出水闸结构的动力响应数据图。本发明提供的水闸结构地震-水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统不需要建立地震-水流耦合作用于水闸结构的实物结构即可真实模拟水闸结构在地震-水流耦合冲击下的产生的动力响应过程，并能够提取相关数据分析出水闸结构的破坏形态，从而为水闸结构的安全建立提供理论依据。

本发明的构造以及它的其他发明目的及有益效果将会通过结合附图而对优选实施例的描述而更加明显易懂。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种水闸结构地震-水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

水闸结构是水利工程中必不可少的关键性部分，引汉济渭工程的水闸结构数量多、规模大、服役环境复杂、关键技术难度大，尤其是在强震、水流、环境激励等多种随机因素耦合作用下将产生复杂的动力响应，对水工结构的安全运行构成严重威胁。水利水电工程枢纽中，水闸结构及附属的泄水设施如果遭受地震破坏，将会导致库水位上升，进而威胁大坝的安全。另外，大型电力设施的震害，会导致发电中断，对电网造成很大的冲击，对抗震救灾不利，还可能导致更加严重的次生灾害。

水闸门与启闭设施的地震响应受水流、环境激励的影响，具有显著的随机性和耦合性，为了保证水闸结构的可靠性，需要对其进行验证，而将地震-水流耦合作用于水闸结构的实物结构难以制作，而简化的实物模型往往会影响试验计算的可信度，因此已有研究成果的理论方法尚不能合理、精确、高效地针对闸门与启闭设施进行地震-水流耦合动力响应分析，从而不能够对水闸结构的具体参数给出指导，进而无法确认水闸结构是否安全可靠能够抵抗地震-水流耦合作用。

由此，本发明提供一种水闸结构地震-水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统，能够真实模拟水闸结构在不同的地震-水流耦合作用下的动力响应过程并对关键数据进行提取，进而分析出水闸结构的破坏形态，从而为水闸结构的安全建立提供理论依据。

如图1所示，本发明实施例提供的一种水闸结构地震-水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统，包括：合成模块、模拟模块、计算模块和输出模块，合成模块用于将地震波和水流流激波进行耦合得到的人工合成波，模拟模块用于建立水闸结构模拟模型，并用于模拟人工合成波作用于水闸结构模拟模型上的动态过程，计算模块用于计算动态过程中的动力响应，并根据动力响应与动力特性分析水闸结构的破坏形态，输出模块用于根据动力响应输出水闸结构的动力响应数据图，在本实施例中，破坏形态包括：门叶扭转、支臂发生横向/纵向变形、连接件发生断裂，具体的对应合成模块主要使用Matlab软件，主要通过编写程序，合成两种波形(地震波和水流流激波)，模拟模块和计算模块主要应用Ansysworkbench软件，主要用于建立模型，进行仿真试验，模拟试验。

本发明提供的一种水闸结构地震-水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统包括合成模块、模拟模块、计算模块和输出模块，合成模块用于将地震波和水流流激波进行耦合得到的人工合成波，模拟模块用于建立水闸结构模拟模型，并用于模拟人工合成波作用于水闸结构模拟模型上的动态过程，计算模块用于计算动态过程中的动力响应，并根据动力响应与动力特性分析水闸结构的破坏形态，输出模块用于根据动力响应输出水闸结构的动力响应数据图。本发明提供的水闸结构地震-水流耦合作用动力响应模拟试验分析系统不需要建立地震-水流耦合作用于水闸结构的实物结构即可真实模拟水闸结构在地震-水流耦合冲击下的产生的动力响应过程，并能够提取相关数据分析出水闸结构的破坏形态，从而为水闸结构的安全建立提供理论依据。

具体的，合成模块通过分别输入地震波和水流流激波的频率、周期和振幅数据得到人工合成波，在本实施例中，所有的地震波和水流流激波的频率、周期和振幅数都是获取以往发生过地震灾害的波形数据。

可选的，计算模块包括计算动态过程中各离散部位的动力响应。

可选的，各项动力特性包括加速度和位移，通过计算模块分析加速度和位移数据，通过分析加速度和位移以及动力特性来分析水闸结构的破坏形态，从而为水闸结构的安全建立提供理论依据。

可选的，各离散部位包括：门叶、支臂结构、连接件和启闭设施，由于这四个结构部件是水闸门的主要部位，一般容易发生破坏，所以研究水闸门都是研究这些结构。

可选的，还包括放大模块，放大模块用于将动力响应放大，以便于进行动力分析。

可选的，还包括终端模块，终端模块用显示动力响应数据图。

可选的，动力特性包括水闸结构的固有频率以及阵型。

可选的，还包括验证模块，验证模块用于将水闸结构按比例缩小后得到水闸结构的实物模型，并通过对水闸结构实物模型施加与合成模块相同的人工合成波从而得到实物模型的动力响应，通过将实物模型的动力响应与计算模块中的动态响应进行对比从而验证模拟试验分析系统的可靠性，并根据对比结果进行调整，在本实施例中，实物模型可以选取一种进行模拟制作，即将真实的水闸结构缩小一定倍数，使其与模拟模块中的水闸结构特征相同，并施加真实模拟的同样的地震波和激流波用来验证结果是否与上述计算模块得到的结果相同。

可选的，验证模块包括：加速度传感器和位移传感器，其中，加速度传感器用于检测实物模型的加速度，位移传感器用于检测实物模型的位移。

工作原理：首先，通过模拟模块建立水闸结构的模拟模型，此模拟模型与真实水闸结构的各项参数均相同，再将以往发生过的水流流激波和地震波的频率、周期和振幅数据输入合成模块得到人工合成波，将此人工合成波施加于水闸结构的模拟模型上，通过计算模块计算得到动态过程中水闸结构整体的各项参数以及门叶、支臂结构、连接件和启闭设施的加速度和位移，通过门叶、支臂结构、连接件和启闭设施的加速度和位移以及水闸结构的固有频率以及阵型能够分析出水闸门的破坏形态，如门叶扭转、支臂发生横向/纵向变形、连接件发生断裂等，再通过放大模块用于将所述动力响应放大，以便于进行动力分析，通过输出模块输出水闸结构的动力响应数据图碧昂将其通过终端模块进行显示。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。