发展工程数值分析软件
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发展工程数值分析软件. 促进建设领域科技进步. 吴梦喜,博士,高级工程师 中国科学院力学研究所环境力学实验室 ttp://lwpy.imech.ac.cn/linke/index.html. 内容提要. 1 数值分析软件的国家需求 2 我国工程数值分析软件现状 3 发展数值分析软件的机遇 4 利科软件的构想与开发进展 5 展望. 1 数值分析软件的国家需求. 1993 年 8 月 27 日,青海省海南藏族自治州共和县境内的沟后水库发生溃坝,冲毁大片农田、房舍、铺面,死亡 300 余人,多人下落不明。

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Presentation Transcript

发展工程数值分析软件

促进建设领域科技进步

吴梦喜,博士,高级工程师中国科学院力学研究所环境力学实验室ttp://lwpy.imech.ac.cn/linke/index.html


内容提要

1 数值分析软件的国家需求

2 我国工程数值分析软件现状

3 发展数值分析软件的机遇

4 利科软件的构想与开发进展

5 展望


1 数值分析软件的国家需求

  • 1993年8月27日,青海省海南藏族自治州共和县境内的沟后水库发生溃坝,冲毁大片农田、房舍、铺面,死亡300余人,多人下落不明。

  • 2003年7月1日,上海轨道交通4号线发生涌水涌砂事故,直接经济损失1.5亿元人民币。

  • 2008年9月8日,山西襄汾发生尾矿坝溃坝事故,267人死亡。

  • 2008年11月15日,杭州地铁风情大道工地发生塌陷事故,17人死亡,4人失踪。

  • 2009年6月27日,上海市闵行区一在建13层住宅楼整体倒塌,周围楼宇也出现险情


  • 重大工程事故频发原因:设计不当、施工方法欠妥和对工程运行问题处置不当造成。重大工程事故频发原因:设计不当、施工方法欠妥和对工程运行问题处置不当造成。

  • 我国是目前世界上土木工程发展最快的国家,重大工程规模宏大、数量众多、环境复杂是人类历史上前所未有的,土木工程合理设计与防灾减灾已经成为当今土木工程学科中最重要、最活跃和最具挑战性的研究领域。

  • 数值分析软件是复杂工程中必不可少的辅助设计工具


以水电行业为例介绍国家需求重大工程事故频发原因:设计不当、施工方法欠妥和对工程运行问题处置不当造成。

两河口水电站工程


水电站是一个复杂的工程系统重大工程事故频发原因:设计不当、施工方法欠妥和对工程运行问题处置不当造成。

放空洞

深孔泄洪洞

后期导流洞

2条初期导流洞

土心墙堆石坝

“漩流竖井”非常泄洪洞

洞式溢洪道

引水发电系统

两河口水电站枢纽布置平面图


大坝的设计需要进行坝体渗流场、位移场、应力场及其耦合分析、边坡稳定性分析大坝的设计需要进行坝体渗流场、位移场、应力场及其耦合分析、边坡稳定性分析

两河口水电站坝体典型横剖面图

直心墙堆石坝最大坝高295m,坝顶宽度为16m,上、下游坝坡坡比为1:2.0、1:1.9。大坝填筑总量约4150万m3。

心墙与上、下游坝壳堆石之间均设有反滤层、过渡层。心墙顶宽为6m,顶高程2874m,心墙上、下游坡均为1:0.2。


渗流、洞室布置与结构、边坡稳定性相互作用大坝的设计需要进行坝体渗流场、位移场、应力场及其耦合分析、边坡稳定性分析


水电站工程是水流控制工程大坝的设计需要进行坝体渗流场、位移场、应力场及其耦合分析、边坡稳定性分析

双江口水电站

成都

自贡

重庆

乐山

两河口水电站

宜宾

瀑布沟水电站

西昌

锦屏一级水电站

溪洛渡水电站

攀枝花

二滩水电站


上游工程的运行模式和风险直接影响流域下游大坝的设计需要进行坝体渗流场、位移场、应力场及其耦合分析、边坡稳定性分析


 我国对数值计算软件需求巨大


2 大坝、地下厂房、隧道、公路边坡设计都需要大型数值计算软件我国工程数值分析软件现状

  • 国外商业计算软件大举进入中国市场,让中国企业(高校)花费大量的财力物力。

    • 我国各高校、科研院所、设计院都在大力采购国外的商业软件,花费大量的财力。据了解,美国ITASCA公司的FLAC3D软件在高校的价格是20万以上,离散元程序PFC3D在高校的价格是30万以上,比美国本土贵出1倍多,这还是所谓的“高校折扣价”。隔三差五出现的更新版本让很多中国企业(高校)花费大量的财力进行升级更新。

    • 目前,很多高校宣传材料,将拥有国外流行的商业软件作为重要的软件实力,争相购买。而真正用好软件的单位不多。


  • 我国已有计算程序正在逐渐退出工程分析领域。我国已有计算程序正在逐渐退出工程分析领域。

    • 我国的工程有限元分析从上世纪60年代起步,有很多单位编制了很好的计算程序,已经在工程中得到广泛应用;

    • 传统的计算程序没有友好的界面和方便的前后处理功能,应用不便;

    • 程序的功能单一,缺乏持续的维护和验证;

    • 计算速度慢,计算规模受到很大限制;

    • 正在逐渐退出岩土工程的数值分析领域;

    • 水利工程中自主软件依然是应用中坚,但商业化几乎空白,也面临退出市场的局面


  • 国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情

    • 通用有限元软件用于工程计算成本高,以Abaqus为代表,同类的还有Adina、Ansys等。通用程序设计时并非为工程专用,内容十分庞大,掌握这种程序至少要花费半年的时间摸索。

    • 岩土工程计算程序,以FLAC和FLAC3D为代表,同类的还有Plaxis、GeoStudio等。但是对国外的岩土工程问题来开发的,并不完全适用于中国的国情。如没有我国惯用的和我们自主研发的本构模型,很多使用者都尝试过在商业程序中开发这些模型。这种工作一方面毫无创新,同时又会花费大量的时间去探索程序所提供的模型开发环境。

    • 另外,国外商业程序所提供的土体参数建议值,都没有考虑到中国国情,很多参数实际上不适用于中国的工程问题。


自主软件在我国水电工程中的作用国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情

  • 自主软件促进了水工的发展与技术进步

    攻关计划、关键技术研究与软件的发展相互促进

  • 自主软件依然是水工分析的主流

    • 很多单位开发了软件,基本自用

    • 功能:渗流场、温度场、应力场及其耦合,动力分析、边坡稳定安全系数分析

    • 坝、隧道和地下厂房、边坡的分析大部分还是以自主软件为主。也借助商业软件(前后处理、二次开发、或直接应用)

  • 行业呼唤自主软件的发展


3 国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情发展数值分析软件的机遇

  • 市场需求:复杂的工程问题需要

  • 国家战略:软件是行业的核心竞争技术

  • 社会环境:行业呼吁“民族软件”,打破“数值分析软件,中国人不行”神话

  • 有利条件:工程部门支持,数学与交叉科学中心

  • 基础:多年开发与工程应用成果,软件雏形

 中科院力学所与数学研究院作为国家队应该承担


4 国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情利科软件的构想与进展

  • 目标:界面友好,交互能力强、可靠性高的岩土与结构工程分析软件

  • 功能模块

    • 渗流场

    • 应力位移场(静力与动力响应)

    • 温度场

    • 多场耦合

    • 稳定安全系数


为什么要做?国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情

关键:支持自主创新

水利水电的大开发和今后的维护管理需求巨大

国外软件的适用性不能完全满足我们的要求

我国在本构模型、计算方法等方面具有特点,核心技术并不落后

我国有软件开发的人才优势

自主软件是分析技术发展的平台,核心技术不能受制于人


怎么做?国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情

  • 组织精干队伍

    • 多单位分工协作,组织软件技术、水工、力学、数学等多学科背景,有志于CAE软件开发的人才队伍

  • 资源共享

    • 开源、部分免费,共享开发成果

  • 开发与应用结合

    • 开发工作结合行业需求进行

    • 应用于重大工程,起示范作用


关键问题与人才?国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情

  • 友好交互前后处理界面

    • 计算机专业人才

  • 可靠、稳定的计算模块

    • 力学、工程、有限元结合的人才

  • 高性能求解器

    • 快速直接求解方法与求解器

    • 高性能迭代求解方法与求解器

    • 高性能优化方法


开发进展国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情

  • 前后处理模块

    • 开发一年多,现有开发人员4人,需要扩展队伍

  • 计算模块有近20年的发展历程

    • 渗流计算模块(已应用,基本成熟)

    • 静力应力变形计算模块(已应用,改进中)

    • 渗流应力变形耦合模块(已应用,改进中)

    • 稳定安全性计算模块(正在开发)

    • 动力响应模块(准备开发)

    • 温度场计算模块(准备开发)


前处理与后处理国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情

界面主窗口

主菜单

树形菜单

显示按钮

几何按钮

绘图区

版本:

简体中文

坐标系

不久将来

英文-中文双语

主输入

信息窗


前处理与后处理国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情

Step 1/5. Construct a geometry model

From lines to regions

Step 5/5 : Contours Map & cloud pictures

Step 4/5. set boundary conditions and calculation settings, then calculate

Step 3/5. Create seeds on line then generate mesh

Step 2/5. Create Material then apply to regions and lines


渗流模块国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情

2D & 3D,稳定&非稳定、饱和&非饱和,土体&岩体

2D 瞬变排水试验

计算模拟与实测比较

瀑布沟、双江口、长河坝、硬梁包、毛尔盖、扎雪等多个工程的厂区和坝区渗流分析

2D 降雨入渗瞬变渗流


应力变形模块国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情

2D & 3D

3D 网格

心墙

  • 特色本构:

    • 堆石料的解耦K-G模型

    • 硬填料的并联本构模型

  • 接触面特色:渗流与变形耦合接触面

瀑布沟、长河坝、茅坪溪、水布垭、引子渡等多个工程的大坝应力变形分析


渗流应力耦合模块国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情

2D & 3D

Filling elevation

超孔隙水压力

孔隙水压力

计算模拟与理论解的比较

长河坝、上海洋山港码头已应用

拱坝坝基、软基固结、雾雨入渗边坡、边坡稳定等多方面都有耦合分析需求


边坡稳定模块国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情( 正在进行 )

  • 2步边坡稳定分析 (强化的极限平衡法)

    • 独立的应力分析

    • 优化技术

      • 关键滑裂面性状

      • 关键滑裂面的位置

  • 假定

    • 有限元计算得到的应力状态“导入”到极限平衡分析之中,其应力状态能够代表滑裂面处的实际情况。


边坡稳定模块国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情( 正在进行 )

(部分完成)

  • 考虑的因素:

  • 材料不同的本构模型

  • 非饱和渗流作用

  • 降雨入渗

  • 固结过程

  • 填筑开挖过程

    • (已完成)

Numerator: resisting shear strength

Denominator: actuating shear stress

用强化的极限平衡法可以分析复杂条件下的稳定安全系数

Manners of “Importing Stresses” from a Finite Element Analysis into a Limit Equilibrium Analysis


5 国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情展望

  • 国家提供支持

  • 数学、力学、工程、计算机多方面人才结合,全力投入研发

一定能研发出适应我国行业需求的自主工程数值分析软件


谢谢关注!国际商业程序并非万能,很多程序并不适用于中国国情

期待合作!


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