[发明专利]一种基于高阶有限元法获取混凝土重力坝裂纹扩展路径的模拟计算方法

说明书

本发明涉及一种基于高阶有限元法获取混凝土重力坝裂纹扩展路径的模拟计算方法，属于水利水电工程领域，特别是对已含裂纹的混凝土重力坝裂纹扩展的路径进行分析计算。利用高阶有限元法计算出具有较高精度的混凝土重力坝应力场和位移场，进而得出高精度的应力强度因子及相当应力强度因子，最后获得相对准确的混凝土重力坝裂纹扩展路径。本计算方法能够直接应用于混凝土重力坝的工程实际问题中，对含初始微裂纹的混凝土重力坝进行裂纹扩展路径的模拟计算，并且计算结果较现有其他计算方法精度相对较高。

技术领域

本发明涉及一种基于高阶有限元法获取混凝土重力坝裂纹扩展路径的模拟计算方法，属于水利水电工程领域，特别是对已含裂纹的混凝土重力坝裂纹扩展的路径进行分析计算。

背景技术

近些年来，我国为了防洪发电以及灌溉修建了许多大大小小的水电站及水库，而作为对水电站与水库极为重要的挡水建筑也受到了极大的关注。混凝土重力坝由于其适用性、可靠性、稳定性及施工的便捷性在挡水建筑物中占用举足轻重的地位。由于混凝土材料自身的抗拉性能较弱以及混凝土重力坝的大体积特性，以致混凝土重力坝会不可避免地在施工中产生微裂缝。初始微裂缝使混凝土重力坝的安全受到潜在威胁，并且随着混凝土重力坝运行时间的增加，初始微裂缝可能会进一步扩展，最终可能会造成非常严重的事故。因此在裂纹问题方面，混凝土重力坝安全评价的首要问题是判断已有裂纹在什么情况下会扩展，以及预判在各种可能工况下的裂纹扩展路径及其对应的安全程度，以便在裂纹进一步扩展危及坝体前采取控制防护措施。但是，目前对裂纹扩展方面的研究并不多。

现在关于不连续问题多采用扩展有限元方法进行分析，在裂纹扩展方面扩展有限元方法也有其独特的优势。但扩展有限元方法是基于传统有限元方法发展起来的，它具有精度较差，收敛速度较慢的缺点。本发明涉及的基于高阶有限元法获取混凝土重力坝裂纹扩展路径的方法利用了高阶有限元法高精度，收敛速度快以及稳定性较好的优点，从而获得相对准确的混凝土重力坝裂纹扩展路径。

使用扩展有限元方法对裂纹扩展问题进行研究的几乎都是基于传统有限元方法，因此存在如下缺点：

(1)传统有限元方法对裂纹扩展问题缺少有效的误差估计模式，最终计算结果精度的控制比较依赖于研究者的经验。为了提高计算结果的精度，需要进行多次重新划分网格，以提高有限元解的收敛性；

(2)传统有限元方法基于低阶插值函数，因此在模拟裂纹尖端附近的高梯度应力和应变场时存在不足，为了获得较高的计算精度，需要进行多次加密网格以确保足够的网格密度，前处理与计算成本较高；

(3)由于裂尖附近应力场的奇异性，基于传统有限元方法计算得到的裂尖附近应力与应变场的误差较大，进而由其导出的应力强度因子精度较低；若想要获得较高精度的应力强度因子，则前处理和计算成本将随之提高。

专利申请号为201910063707X的发明专利主要利用了p型有限元法结合围线积分法来导出复合型应力强度因子，而本发明选择公开基于高阶有限元法通过循环计算得到满足工程精度要求的混凝土重力坝裂纹扩展路径。

本发明基于国家自然科学基金资助项目(资助编号：51769011)，提出了一种将高阶有限元法应用于水利水电工程领域，从而获取混凝土重力坝裂纹扩展路径的新型计算技术。

发明内容

针对现有混凝土重力坝裂纹扩展路径模拟计算方法的缺点及不足，本发明提供一种基于高阶有限元法获取混凝土重力坝裂纹扩展路径的模拟计算方法。本发明通过以下技术方案实现。

一种基于高阶有限元法获取混凝土重力坝裂纹扩展路径的模拟计算方法，利用高阶有限元法计算出具有较高精度的混凝土重力坝应力场和位移场，进而得出高精度的应力强度因子及相当应力强度因子，最后获得相对准确的混凝土重力坝裂纹扩展路径，包括以下步骤：

步骤1、确定混凝土重力坝工程模型的几何尺寸，并创建混凝土重力坝的有限元模型；