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混凝土大坝温度应力数值仿真分析关键技术研究

作　者: 林志祥
导　师: 朱岳明
学　校: 河海大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 水化度 热湿耦合 水管冷却 并行计算 改进遗传算法 应力强度因子
分类号: TV314
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 958次
引　用: 13次
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内容摘要


混凝土温控数值仿真的影响因素众多、机理复杂,目前,仍无法精确地模拟各种多变的因素对裂缝发生发展的影响。本文主要针对混凝土的温度场应力场仿真计算模型、热湿耦合、水管冷却问题的并行仿真、混凝土温度参数并行反演分析以及诱导缝应力强度因子计算等混凝土大坝温度应力数值仿真的关键技术进行了较为深入的研究,全文主要内容如下: (1) 在现有研究基础上,推导了考虑自身温度影响的混凝土非稳定温度场和徐变应力场的计算理论;基于水分质量守恒和能量守恒原理考虑混凝土温度场和湿度场的耦合作用,推导了混凝土的变系数热湿耦合方程,并建立了相应的计算模型;引用严密的水管冷却混凝土温度场的计算理论和计算模型,比较了两种简化计算方法用于水管冷却混凝土仿真计算的不足。 (2) 为引入有限元的并行计算技术,架构了一个微机机群并行环境,并详细给出了计算环境配置和使用方法。分析了结构计算有限元求解过程的并行性;介绍了分布式环境下有限元计算的并行策略。 (3) 针对大型水利工程混凝土施工仿真计算对计算规模和计算精度越来越高的要求,以及计算实时性的需要,在分布式环境下实现了水管冷却混凝土温度场和徐变应力场的并行仿真计算,并率先应用该技术对某实际拱坝工程实现了整体三维并行仿真计算。 (4) 在温度仿真计算参数反分析的遗传算法的基础上,提出了改进遗传算法,函数测试结果表明,改进措施可以有效地解决算法局部搜索能力低及早熟收敛的问题;并针对分布式并行环境给出了一种粗粒度的并行化方法,函数测试结果表明该方法具有很高的并行效率和加速比,适合应用于大规模仿真计算的反问题求解。 (5) 介绍了应力强度因子的三类求解方法,对有限元数值计算中的影响因素做了分析;论述了断裂现象的分形特性,分析了混凝土诱导缝应力强度因子和分形维数的关系;推导了平面状态下混凝土诱导缝裂缝尖端应力场和位移场的分形计算表达式,并在此基础上建立了Ⅰ型分形裂纹尖端处的应力强度因子的分形模型;给出了计算应力强度因子分形维数的方法;对二维平面分维问题,提出了并行化计算办法;针对通过正法不易求解的事实,提出了混凝土诱导缝应力强度因子分形维数的反演计算方法。

全文目录


第一章 绪论  11-23
  1.1 问题的提出  11-12
  1.2 水工混凝土温控与防裂研究进展  12-14
  1.3 混凝土水化放热规律研究进展  14-16
  1.4 混凝土湿度场及干缩应力的研究进展  16-17
  1.5 混凝土温度参数反分析研究进展  17-18
  1.6 有限元并行计算的研究进展  18-20
  1.7 碾压混凝土诱导缝的研究进展  20-21
  1.8 本文主要研究内容  21-23
第二章 混凝土温度场和徐变应力场仿真计算关键技术研究  23-46
  2.1 未考虑自身温度影响的混凝土非稳定温度场和徐变应力场的仿真计算  23-27
  2.2 考虑自身温度影响的混凝土非稳定温度场和徐变应力场的仿真计算  27-33
  3.3 考虑自身温度影响的混凝土仿真计算的非均质层合单元法  33-36
  2.4 混凝土温度场和湿度场的耦合分析  36-39
  2.5 水管冷却问题的三维有限元求解  39-44
  2.6 本章小结  44-46
第三章 基于MPI的网络并行有限元计算  46-65
  3.1 并行计算概述  46
  3.2 网络并行计算  46-50
  3.3 网络微机机群并行计算环境  50-51
  3.4 MPI并行编程环境  51-59
  3.5 MPI编程示例  59-60
  3.6 网络机群环境下有限元法并行计算  60-64
  3.7 本章小结  64-65
第四章 混凝土温控仿真的有限元并行实现技术研究  65-85
  4.1 带状对称正定矩阵的并行Cholesky分解及其实现  65-69
  4.2 有限元的EBE-PCG方法  69-71
  4.3 有限元的MSD-PCG方法  71-73
  4.4 拱坝三维整体仿真分析  73-84
  4.5 本章小结  84-85
第五章 混凝土热力学参数并行反演分析  85-105
  5.1 仿真计算及施工预测  85-86
  5.2 温度问题反分析  86
  5.3 温度参数并行反分析方法  86-98
  5.4 工程应用  98-104
  5.5 本章小结  104-105
第六章 混凝土诱导缝计算方法研究  105-135
  6.1 概述  105-109
  6.2 诱导缝应力强度因子的计算方法  109-116
  6.3 诱导缝应力强度因子的分形计算理论  116-127
  6.4 诱导缝应力强度因子的分形计算方法  127-134
  6.5 本章小结  134-135
第七章 结论与展望  135-139
  7.1 全文总结  135-137
  7.2 展望  137-139
参考文献  139-149
攻读博士学位期间完成的论文  149-150
致谢  150

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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水工结构 > 结构理论和计算 > 结构计算与设计
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