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第1章 水利水电工程模拟仿真基础1

1.1 水利水电工程数学模型基础1

1.2 水利水电工程模型的特点2

1.3 水利水电工程建模的思维导向和原则3

1.3.1 水利水电工程建模的思维导向3

1.3.2 水利水电工程建模遵循的原则5

1.4 建立水利水电工程模型的一般步骤和建模方法6

1.4.1 建立水利水电工程模型的一般步骤6

1.4.2 水利水电工程模型建模方法7

1.5 水利水电工程数值模拟复杂度简介8

1.6 水利水电工程几何建模的经验10

1.6.1 建模过程中要养成好习惯10

1.6.2 掌握几种几何建模平台10

1.6.3 养成坚持不放弃的精神11

1.6.4 建模实践过程中要总结建模方法11

1.7 水利水电工程仿真模型选择的建议11

1.8 水利水电工程仿真建模实例13

1.8.1 选择建模思维导向13

1.8.2 分析研究目的14

1.8.3 分析模型主要因素14

1.8.4 编制建模整体框架17

1.8.5 “泥石流运动机理”子系统研究17

1.8.6 推导控制方程和定解条件17

1.9 有限元方法简介19

1.9.1 有限元基本理论简介19

1.9.2 水利工程中的有限元分析建议21

1.10 ANSYS Products简介23

1.10.1 经典ANSYS简介23

1.10.2 ANSYS Workbench12.1简介26

1.10.3 ANSYS ICEM简介30

1.10.4 ANSYS CFX简介31

1.10.5 ANSYS Fluent简介32

第2章 水工结构中的常用结构单元模拟35

2.1 水工二维结构模拟35

2.1.1 梁单元BEAM3简介35

2.1.2 分析实例概述36

2.1.3 ANSYS的分析二维梁结构37

2.2 水工三维框架梁结构仿真45

2.2.1 梁单元BEAM188简介45

2.2.2 分析对象简述45

2.2.3 ANSYS的分析框架梁结构45

2.3 水工三维壳体结构仿真单元SHELL6354

2.3.1 壳体单元SHELL63简介54

2.3.2 分析实例概述55

2.3.3 ANSYS分析壳体结构55

第3章 基于ANSYS及ANSYS Workbench平台水工钢结构仿真60

3.1 水利工程中桁架模态仿真分析60

3.1.1 桁架结构简介60

3.1.2 模态分析基础63

3.1.3 分析实例概述63

3.1.4 基于ANSYS Workbench模态仿真实现过程64

3.1.5 基于ANSYS平台桁架模态仿真实现过程69

3.2 水工弧形闸门有限元分析73

3.2.1 水库弧形闸门基础73

3.2.2 分析对象简介74

3.2.3 基于ANSYS Workbench平台闸门静力学分析75

3.2.4 基于ANSYS和ANSYS Workbench平台弧形闸门瞬态响应分析模拟79

3.3 引水式水电站有压引水系统动态仿真89

3.3.1 有压引水系统、调压室（井）及其压力钢管简介89

3.3.2 流固耦合仿真简介97

3.3.3 分析对象简介98

3.3.4 基于ANSYS CFX和ANSYS Workbench平台模拟仿真99

第4章 水工地质及边坡工程数值模拟116

4.1 水工地质及其边坡工程简介116

4.2 水工地质及边坡工程数值模拟分析过程118

4.3 挡土墙结构设计与仿真计算简介119

4.3.1 挡土结构计算与仿真简介119

4.3.2 基于框锚加固技术的重力式挡墙支护结构简介125

4.3.3 算例物理模型简介125

4.4 基于ANSYS Workbench平台挡土结构仿真模拟实现过程127

4.4.1 基于ANSYS Workbench网格模型建立127

4.4.2 设置求解边界128

4.4.3 设置求解输出设置且启动求解133

4.4.4 后处理及其结果分析136

第5章 水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟137

5.1 水工隧洞基础137

5.1.1 水工隧洞简介137

5.1.2 水工隧洞的设计模型139

5.1.3 水工隧洞的数值方法141

5.1.4 水工隧洞的荷载141

5.2 基于ANSYS平台水工隧洞施工过程模拟142

5.2.1 ANSYS单元生死142

5.2.2 初始地应力的模拟方法145

5.3 数值模拟对象146

5.4 有限元建模146

5.4.1 单元定义和材料定义147

5.4.2 几何建模150

5.4.3 网格划分160

5.4.4 边界条件和初始条件166

5.5 水工隧洞施工过程模拟168

5.5.1 初始状态模拟169

5.5.2 毛洞开挖工况模拟170

5.5.3 毛洞支护工况模拟173

5.5.4 查看结果与后处理176

5.6 水工隧洞运行期模拟186

5.6.1 运行期内水压力的模拟186

5.6.2 运行期外水压力的模拟190

第6章 重力坝的施工及运行ANSYS模拟195

6.1 重力坝简介195

6.2 ANSYS混凝土单元（SOLID65）简介196

6.2.1 SOLID65单元输入数据197

6.2.2 SOLID65单元应力输出结构图198

6.3 数值模拟对象介绍200

6.4 创建二维几何模型200

6.4.1 基于AutoCAD2010平台创建重力坝二维模型200

6.4.2 启动ANSYS仿真平台并定义仿真文件201

6.4.3 定义仿真单元和材料属性206

6.4.4 建立有限元模型209

6.4.5 添加边界条件及初始条件215

6.5 施工期及运行期弹性模拟218

6.5.1 初始状态模拟219

6.5.2 完建工况模拟221

6.5.3 运行工况模拟223

6.5.4 查看结果与后处理232

第7章 基于ANSYS重力坝的弹塑性模拟仿真242

7.1 弹塑性理论及其仿真基础242

7.1.1 弹塑性理论与屈服准则242

7.1.2 混凝土重力坝弹塑性结构有限元分析必要性245

7.1.3 大坝混凝土结构有限元分析的发展趋势245

7.1.4 ANSYS仿真平台下混凝土塑性损伤本构模型理论模型246

7.2 重力坝的弹塑性模拟分析前期准备248

7.3 施工期及运行期弹性模拟251

7.3.1 初始状态模拟252

7.3.2 完建工况模拟253

7.3.3 运行工况模拟256

7.3.4 混凝土重力坝的超载分析261

7.3.5 结果与后处理264

第8章 ANSYS平台下重力坝模态响应分析及其抗震性能模拟272

8.1 模态响应分析基础272

8.1.1 模态响应分析基础272

8.1.2 基于ANSYS平台模态响应分析的基本步骤274

8.2 数值模拟对象274

8.3 基于ANSYS平台的重力坝模态分析277

8.3.1 激活模态分析模块277

8.3.2 设置模态分析选项277

8.3.3 求解计算277

8.3.4 保存计算结果278

8.3.5 查看模态分析结果与后处理279

8.4 基于ANSYS平台重力坝谱分析280

8.4.1 设定谱分析类型280

8.4.2 设定单点响应谱类型和激励方向280

8.4.3 设定谱值和频率值281

8.4.4 求解与保存结果282

8.5 基于ANSYS平台重力坝扩展模态仿真分析283

8.5.1 扩展模态仿真分析设置283

8.5.2 求解扩展模态并保存模拟结果284

8.5.3 合并模态设置284

8.5.4 求解扩展模态285

8.5.5 查看结果与后处理285

8.6 基于ANSYS平台重力坝在地震波的瞬态分析288

8.6.1 建立地震波数据文件288

8.6.2 读入地震波数据288

8.6.3 指定分析类型290

8.6.4 设定瞬态分析选项291

8.6.5 施加地震加速度荷载292

8.6.6 求解瞬态292

8.6.7 加入时间历程后处理与瞬态后处理293

第9章 汛期重力坝泄水过程与结构稳定校核仿真294

9.1 水电站输水系统和WES堰流动仿真基础294

9.1.1 WES堰简介294

9.1.2 水电站取水口系统几何模型设计介绍296

9.2 基于ANSYS CFX泄水水流分析298

9.2.1 几何模型导入和有限元模型298

9.2.2 建立流场仿真模型302

9.2.3 求解单位、求解控制和输出控制312

9.3 基于ANSYS Workbench重力坝结构应力分析315

9.3.1 模型导入和有限元模型315

9.3.2 建立结构仿真模型317

9.3.3 求解与后处理320

第10章 基于ANSYS Workbench/CFX平台渡槽结构仿真及其耦合分析322

10.1 水工渡槽基础与ANSYS CFX流场仿真平台的简介322

10.1.1 水工渡槽简介322

10.1.2 水工渡槽三维流体—固体动力耦合分析模拟323

10.1.3 基于ANSYSWorkbench的CFX流场分析流程介绍327

10.2 数值模拟对象329

10.3 基于ANSYS Workbench渡槽静力学模拟分析实现过程330

10.3.1 启动仿真系统330

10.3.2 导入几何模型330

10.3.3 设置结构模拟材料属性330

10.3.4 模拟前处理网格划分，求解设置并求解332

10.3.5 保存模拟文件338

10.4 基于ANSYS Workbench/CFX渡槽流固耦合分析338

10.4.1 启动仿真系统338

10.4.2 流场分析计算340

10.4.3 结构分析实现过程348

第11章 基于ANSYS CFX平台带消能池的多股多层消能数值模拟分析353

11.1 消能建筑物简介将其仿真基本理论353

11.1.1 泄水建筑物下游水流的特点及消能形式353

11.1.2 消力池模拟模型简介355

11.2 模拟对象简介357

11.3 基于ANSYS CFX平台带消能池的多股多层消能数值模拟358

11.3.1 创建网格模型358

11.3.2 创建流场模型361

11.3.3 求解器控制设置372

11.3.4 流固双向耦合计算与后处理373

第12章 水轮机整机全流道CFD计算仿真376

12.1 混流水轮机CFD基础376

12.1.1 水轮机CFD计算模型简介376

12.1.2 流动基本方程377

12.1.3 湍流模型378

12.1.4 离散方法及压力—速度耦合378

12.1.5 定义边界条件379

12.1.6 仿真中几个关键问题的处理380

12.2 混流水轮机整机全流道几何模型介绍382

12.3 基于ANSYS CFX混流水轮机整机全流道CFD模拟分析383

12.3.1 流道网格划分383

12.3.2 建立流场仿真模型385

12.3.3 查看结果与后处理395

第13章 基于ANSYS Fluent平台下尾水管内流场仿真分析397

13.1 尾水管物理模型及其流动特征简介397

13.2 尾水管内流场仿真分析数学模型399

13.3 尾水管简介及模拟对象描述400

13.4 尾水管内流场仿真分析实现过程401

13.4.1 基于ANSYS Fluent 平台下尾水管内流场分析401

13.4.2 查看结果与后处理415

第14章 混凝土拱坝热固耦合仿真分析416

14.1 热固耦合仿真基础及其技术路线416

14.2 模拟对象描述419

14.3 基于ANSYS Workbench拱坝热固耦合仿真419

14.3.1 热力学仿真过程419

14.3.2 结构仿真过程424

14.3.3 查看结果与后处理426

14.4 基于ANSYS的拱坝热固耦合分析428

14.4.1 热力学分析428

14.4.2 结构应力分析435

第15章 基于ANSYS Workbench和CFX平台水电站厂房通风仿真440

15.1 水电站厂房的通风基本概述440

15.1.1 通风基本概念440

15.1.2 厂房通风分类及其基本简化方程441

15.2 水电站厂房的通风模拟的数学模型介绍444

15.2.1 单方程（Spalart-Allmaras）模型444

15.2.2 对流传热传质模型445

15.2.3 标准k-ε湍流模型简介446

15.2.4 RNGk-ε湍流模型简介446

15.3 水电站厂房的通风模拟的物理模型简介447

15.4 基于ANSYS CFX平台水电站厂房通风仿真模拟实现过程449

15.4.1 基于ANSYS Workbench平台建立网格模型449

15.4.2 基于ANSYS CFX建立仿真模型450

15.4.3 求解并查看结果460

第16章 基于ANSYS经典平台模拟地下水渗流仿真462

16.1 水工渗流场模拟基础462

16.1.1 工程渗流力学简介462

16.1.2 地下水渗流基本方程463

16.1.3 地下水渗流方程定解条件464

16.1.4 渗流力学有限元方程465

16.1.5 土坝渗流计算方法469

16.1.6 工程渗流场仿真的基础471

16.1.7 工程渗流数学模型及其求解条件和ANSYS平台仿真渗流的简介473

16.2 基于ANSYS平台水工渗流场模拟实例操作474

16.2.1 图形用户界面（GUI）操作的模拟对象474

16.2.2 建立渗流有限元模型474

16.2.3 稳定渗流计算480

16.3 基于ANSYS平台APDL土坝渗流模拟算例486

16.3.1 模拟对象简介486

16.3.2 模拟仿真准备工作486

16.3.3 建模方法及其过程486

16.3.4 定义材料参数488

16.3.5 创建网格模型并添加初始边界488

16.3.6 设置迭代次数488

16.3.7 查看结果与处理488

16.3.8 分析命令流与说明490

第17章 坝后式水电站输水系统基于双向流固耦合的分析模拟499

17.1 双向流固耦合理论基础499

17.1.1 双向流固耦合固体基本方程499

17.1.2 双向流固耦合流体理论基础501

17.2 压力引水系统工作原理及其模拟对象501

17.2.1 压力引水系统工作原理501

17.2.2 压力引水系统模拟对象501

17.3 基于ANSYS Workbench和CFX双向耦合实现过程502

17.3.1 结构分析设置502

17.3.2 流体分析设置508

第18章 水电站建筑结构综合仿真分析516

18.1 坝后式厂房概述516

18.2 基于ANSYS CFX平台3台水轮机全流道流场模拟过程520

18.2.1 启动仿真系统导入仿真几何模型520

18.2.2 建立网格模型521

18.2.3 建立流场仿真模型522

18.2.4 求解模型并查看模拟结果524

18.3 基于ANSYS Workbench水电站建筑结构仿真分析526

18.3.1 添加结构仿真材料526

18.3.2 建立网格模型526

18.3.3 设置分析环境528

18.3.4 添加荷载和边界条件528

18.4 仿真求解和结果输出说明529

第19章 ANSYS在水利水电工程上的二次开发及应用530

19.1 ANSYS二次开发简介530

19.1.1 参数化程序设计语言（APDL）531

19.1.2 用户界面设计语言（UIDL）532

19.1.3 用户程序特性（UPFs）532

19.1.4 ANSYS数据接口532

19.2 用户界面设计语言（UIDL）在水利工程中的应用533

19.2.1 用户界面设计语言（UIDL）基本配置及其操作思路和步骤533

19.2.2 水利水电工程仿真系统开发实例534

19.3 基于参数化程序设计语言（APDL）拱坝的有限元分析541

19.3.1 基于APDL的拱坝建模与分析方法541

19.3.2 基于APDL的拱坝建模算例541

19.4 基于参数化程序设计语言ANSYS拱坝体形优化557

19.4.1 优化理论及其拱坝体形优化基础557

19.4.2 拱坝体形优化的数学模型基础558

19.4.3 拱坝体形优化的实现过程562

19.4.4 基于ANSYS参数化设计语言（APDL）拱坝体型优化设计的命令流564

参考文献579