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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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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

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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

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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
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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
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水电站是一个复杂的工程系统

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

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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。

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水电站工程是水流控制工程

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

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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
  • 新建工程需要数值计算
    • 发展水力发电是节能减排的需要
    • 2020年我国水电装机要比现在翻一番,新建工程大多为复杂工程
  • 已建工程的安全分析与管理需要数值分析
    • 水库8万多座
    • 堤防20多万公里

 我国对数值计算软件需求巨大

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2 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。
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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
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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。
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自主软件在我国水电工程中的作用
  • 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
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3 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

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4 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
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为什么要做?

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

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怎么做?
  • 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
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关键问题与人才?
  • 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
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开发进展
  • 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)
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前处理与后处理

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

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前处理与后处理

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

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渗流模块

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

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应力变形模块

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

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渗流应力耦合模块

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

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边坡稳定模块( 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。
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边坡稳定模块( 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

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5 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

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谢谢关注!

期待合作!

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