[發明專利]水電站地下式廠房動力分析數值模型設計方法

在審

• 申請號: 201710591905.4
• 申請日: 2017-07-19
• 公開（公告）號: CN107368651A
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 侯攀;盧薇;羅乾坤;肖平西;胡曉文;譚可奇;張志軍;呂文龍;馬玉巖
• 申請（專利權）人: 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 成都虹橋專利事務所(普通合伙)51124
• 代理人: 陳仁平

技術領域

本發明涉及水利水電工程技術領域，尤其涉及一種水電站地下式廠房動力分析數值模型設計方法。

背景技術

在我國西北、西南地區的山區河流縱坡大，適宜于開發水能資源；水力發電是目前世界上使用最廣泛的一種清潔的可再生能源。為了高效利用水能資源，目前規劃或在建的電站趨向于巨型化；水輪發電機組的單機容量越來越大，運行水頭越來越高。水電站廠房是電站樞紐布置的核心區域，廠房結構既是水工建筑物和水輪發電機組機電設備的綜合體，又是電站運行人員活動和生產輸出電能的場所。而廠房結構的巨型化削弱了廠房結構的剛度，水輪機流道脈動壓力的能量更加突出，如何保證巨型機組安全穩定運行是業界必須攻克的難題。廠房內部結構及其受力條件復雜，基于結構力學理論的簡化方法在廠房內部部分結構的力學分析中已被證明是不準確的；而隨著近年來有限元單元法在工程結構仿真領域的逐步推廣，采用有限元單元法揭示水電站廠房整體結構的受力機理成為一種可行性非常強的技術手段。而在采用有限元進行水電站廠房的分析過程中，如何正確、規范的建立水電站廠房結構的動力分析數值模型成為了學術界關注的重點。

近幾年來，采用有限元計算分析方法進行水電站廠房整體結構動力分析計算已經被廣泛使用，但是由于缺少相應的參考標準以及規范文件，而且由于水電站廠房動力分析數值模型(以下可簡稱為廠房數值模型或廠房模型等)包括基巖范圍、不同結構部分的網格單元類型、不同網格單元類型之間的連接形式、網格尺寸、彈性模量以及阻尼比等眾多參數，而對于這些參數的選取目前沒有一個統一的參考標準，導致進行水電站廠房設計的單位在廠房動力分析數值模型的設計上均或多或少的加入了各自的設計理念與經驗，因而出現不同的設計單位建立的水電站廠房各不相同的情況，進而導致各單位的計算結果存在較大的差異性，無法實現水電站廠房模型設計的規范和統一。

另外，對于水電站廠房這類體積量較大的結構進行有限元動力學分析時，其計算量通常是非常龐大的，需要計算速度非常強大的計算機系統才能完成。因此，在保證計算結果準確性的情況下，如何建立合適的模型以減少計算工作量，提高計算效率，也是此類模型設計時需要重點考慮的因素。

發明內容

本發明解決的技術問題是：現有基于有限元動力分析而設計的水電站地下式廠房動力分析數值模型，其設計方法沒有統一參考設計方法和標準的問題，本發明以提供一種可實現水電站地下式廠房動力分析數值模型設計的一致性和規范性，并在確保分析結果準確性的同時還可縮短設計周期的水電站地下式廠房動力分析數值模型設計方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：水電站地下式廠房動力分析數值模型設計方法，包括如下步驟，

步驟一、構建水電站地下式廠房的三維結構模型：根據實際項目工程中水電站地下式廠房的設計結構或者實際結構，構建水電站地下式廠房的三維結構模型；所述三維結構模型由廠房主體部分和基巖部分組成；所述廠房主體部分包括廠房尾水管和廠房發電機層以下結構；所述基巖部分的構建范圍為：基巖部分的邊界至廠房主體部分的外輪廓之間的距離不低于廠房主體部分的高度H的兩倍；

步驟二、劃分網格：對上述步驟一中構建的三維結構模型進行網格劃分，并且設置廠房主體部分的網格尺寸不大于基巖部分的網格尺寸；

步驟三、設定網格單元類型：廠房主體部分中的橫梁結構和立柱結構均采用梁單元，廠房主體部分中的樓板結構和風罩結構均采用板單元，廠房主體部分中的其余結構采用實體單元；基巖部分采用實體單元；

步驟四、設定材料屬性：為網格單元設定對應的材料屬性；其中對于彈性模量的設定為：設置廠房主體部分的彈性模量的取值為廠房主體部分實際所用材料所對應的靜彈性模量值，設置基巖部分的彈性模量的取值為基巖部分實際巖體所對應的靜彈性模量值；對于阻尼比的設定為：設置廠房主體部分的阻尼比和基巖部分的阻尼比均為0.07；

步驟五、設定不同類型的網格單元之間的連接形式：對不同類型的網格單元之間的連接形式采用節點自由度約束；

步驟六、設定邊界條件：對基巖部分上相應的邊界施加固定約束。

進一步的是：基巖部分的構建范圍為：基巖部分的邊界至廠房主體部分的外輪廓之間的距離為廠房主體部分的高度H的兩倍。