高清PDF《ANSYS Products有限元软件及其在水利水电工程中仿真应用》龚成勇、李琪飞

内容提要：
高速发展的计算机科学、先进的设计方法和精细的数值仿真为现代水利水电工程精细化设计提供了重要解决方案，为传统方法提供了有力补充。ANSYS Products有限元软件在水利水电工程的应用和研究中所起的作用越来越重要。本书介绍到的专业基础包括：结构分析基础、水力学及其计算流体力学、热力学、岩土力学、水工建筑物、钢结构、渗流力学、旋转机械、工程施工、建模方法、数值计算方法与有限元仿真技术等。书中主要模拟研究对象包括：水工地质及边坡工程、水利枢纽重要建筑物（重力坝、土石坝和拱坝）、水电站建筑物和机组及其输水建筑物或结构（水轮机组流道、输水结构、水工隧洞、渡槽、尾水流道）、泄水及其消能建筑物（泄水构筑物、取水结构、消力池）、水工钢结构（厂房网架、钢闸门、压力钢管)等；成果主要集中在水工水力学流场分析、结构有限元分析、热力学分析、流一固耦合有限元和热一固耦合核心问题上。
本书可以作为水利专业的研究生和本科生教材，也适用于ANSYS Products软件的使用者以及水利工程相关领域科研人员、设计人员和工程管理人员用作参考资料，还可作为工程技术人员的学习材料。

随着国民经济的发展和清洁能源需求的增加，水利水电工程正在迅猛发展，其发展趋势是不断地大型化与复杂化，工程的设计计算、施工建设和运行管理难度愈来愈大。如今高速发展的计算机科学、先进的设计方法和精细的数值仿真为水利水电工程解决这些困难提供了重要方案，为传统方法提供了有力的帮助。完全依靠传统的设计计算方法去得到更为精确的分析结果的可能性愈来愈小，且数值仿真在一定程度上逐步成为重要的分析和研究的重要手段。本书基于ANSYS Products有限元软件能在水利水电工程中普及应用而编写的。
本书在编写过程中充分考虑了ANSYS Products软件在水利水电工程应用的客观性、系统性和实用性，注重软件功能的介绍的同时，加强水利水电工程学科的设计方法和仿真理论的引导培养。力求将软件的适用性、仿真的合理性和工程的客观性融为一体，内容上尽量做到“面要宽，点要实”，既努力做到概念明确、思路清晰，且遵循由易到难，循序渐进的原则，为读者自学或课堂讲授学习提供选择。模拟研究对象主要包括：水工地质及边坡工程、水利枢纽重要建筑物（重力坝、土石坝和拱坝）、水电站建筑物和机组及其输水建筑物或结构（机组流道、输水结构、水工隧洞、渡槽、尾水流道）、泄水及其消能建筑物（泄水构筑物、取水结构、消力池）、水工钢结构（厂房网架、钢闸门、压力钢管)等；主要内容介绍包括结构分析基础、计算流体力学、热力学、岩土力学、钢结构、渗流力学、旋转机械等。全书共计19章，共八部分，第一部分为水利水电工程模拟仿真基础及软件介绍：第二部分为水工地质及边坡工程仿真；第三部分为水工结构工程（包括建筑物工程和结构钢结构工程)仿真；第四部分为水工水力学与渗流仿真；第五部分为水工结构与热力学仿真；第六部分为水电站与水力机械仿真；第七部分为流固与热固耦合分析；第八部分为参数化建模与二次开发仿真。各章采用模块式设计，其基本构架模式为：本章摘要→阅读指南→+理论基础→模拟对象介绍→仿真分析实现过程讲解。
本书由兰州理工大学副校长李仁年教授规划、审稿。由兰州理工大学能源与动力工程学院水利水电工程系龚成勇和流体机械及工程系李琪飞编著。主要参编人员：赵廷红、韩伟、何香如、张钊、侯慧敏、李桂花、侯燕军。本书的编著得到能源与动力工程学院教师的大力支持，水利水电工程系全系教师的鼎力帮助。编写过程中引用了一些相关资料，对其作者深表谢意。同时对中国水利水电出版社武丽丽主任和李晔韬编辑对本书的出版付出的辛苦表示感谢。
本书可以作为水利专业的研究生和本科生教材，也适用于ANSYS Protucts软件的使用者以及水利工程相关领域科研人员、设计人员和工程管理人员作为参考资料，还可作为工程技术人员的学习材料。
本书网站：http:/nengdong..lut.cn/nengdongzizhan/ANSYS-book/

由于编者学识和水平有限，书中难免有错误和不妥之处，望读者批评指正。
编者
2014年8月于兰州理工大学

内容目录：

前言
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SHELL63 54
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
15.1.1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(S0LID65)简介196
6.2.1 S0LID65单元输人数据197
6.2.2 S0LID65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

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水工渡槽三维流体一固体动力耦合分析模拟323
10.1.3基于ANSYS Workbench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离散方法及压力一速度耦合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-￡湍流模型简介446
15.2.4-RNGk-8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启动仿真系统导人仿真几何模型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(UDL)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(UDL)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

投稿会员：巧克力布丁