【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及大坝安全防控，具体涉及一种基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法。
技术介绍
1、截至目前我国已建水库大坝9.8万余座，其运行安全攸关国计民生。特别是高坝枢纽赋存与运行环境复杂，泄洪水头高、功率大、流速高，因空蚀破坏引发的安全问题愈发突出。据统计，我国已建的泄洪消能建筑物中有70％均发生过冲刷、磨损和空蚀破坏，其中空蚀破坏约占32.8％，空蚀破坏会导致混凝土部分区域的疏松、裂缝和断裂，破坏混凝土的连续性和一体性，从而导致混凝土结构的强度降低。
2、近壁面空化泡溃灭过程及其产生的效应是引起混凝土空蚀的直接原因，但目前大坝泄洪消能结构混凝土抗空蚀能力更多依靠室内试验确定，尚无法实现混凝土材料空蚀破坏的数值模拟，无法实时评判混凝土材料的抗空蚀能力，致使已建的泄洪消能结构空蚀破坏现象时有发生。
技术实现思路
1、针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法解决了大规模空化泡溃灭模拟尚未实现、泄洪消能结构空蚀破坏难以模拟的难题。
2、为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、提供一种基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法，其包括步骤：
4、s1、获取混凝土材料参数及确定混凝土塑性损伤模型参数，构建混凝土有限元模型；
5、s2、采用空化泡溃灭微射流冲击有限元模型的混凝土表面，生成空蚀破坏蚀坑变形云图，并基于变形云图计算单微射流冲击下混
6、s3、根据等效荷载i，模拟不同数量微射流冲击有限元模型的混凝土表面，生成多微射流冲击的变形云图，基于变形云图计算多射流冲击的等效荷载ii；
7、s4、采用混凝土材料参数构建试验尺度的混凝土二维有限元模型，并基于等效荷载ii，将二维有限元模型的曲线荷载划分为若干微线段，得到线荷载等效模型；
8、s5、获取空蚀试验中混凝土不同时刻的蚀坑深度，根据蚀坑深度和线荷载等效模型，采用位移反分析得到空蚀中心区域冲击线荷载等效模型中的荷载峰值、荷载衰减值和曲线形状参数，确定线等效荷载；
9、s6、采用线等效荷载作为混凝土二维有限元模型的输入荷载，模拟得到混凝土空蚀破坏云图，确定混凝土空蚀破坏程度及其抗空蚀能力；
10、s7、判断抗空蚀能力是否满足工程设计要求，若是，则当前混凝土可作为泄洪消能结构混凝土材料，否则调整混凝土材料参数，并返回步骤s1。
11、进一步地，所述等效荷载i的表达式为：
12、
13、其中，x为微射流的位置；p1(x)为微射流冲击时x处的等效荷载；pwh和pst分别为微射流冲击混凝土表面的荷载曲线上的荷载峰值和荷载衰减值；α(x)为x处的衰减系数；t为时间；t0为达到荷载峰值的时间；tst为荷载峰值减小至荷载衰减值的时间。
14、上述技术方案的有益效果为：相较于空化泡溃灭冲击泄洪消能结构混凝土的直接模拟，该技术方案可降低模拟难度，提高计算效率。
15、进一步地，所述等效荷载ii的表达式为：
16、
17、其中，为多微射流冲击混凝土的等效荷载；pa和pb分别为多微射流冲击混凝土表面的荷载曲线上的荷载峰值和荷载衰减值；t为时间；t0为达到荷载峰值的时间；tst为荷载峰值减小至荷载衰减值的时间。
18、上述技术方案的有益效果为：多空化泡溃灭冲击模拟因空化泡群溃灭的随机性而尚无成熟的模拟方法，该技术方案基于微分思想，将二维平面上的空化泡群分成若干个“微线段”，实现了微线段上的多空化泡溃灭冲击模拟，降低了模拟难度低，提高了计算效率5倍以上。
19、进一步地，荷载峰值pa和荷载衰减值pb的表达式为：
20、
21、其中，xi为任意微线段i的中心坐标，-l/2≤xi≤l/2，l为线荷载作用范围；k＝a,b分别为峰值和衰减值；c为曲线形状参数；exp(·)为指数函数；
22、上述技术方案的有益效果为：多空化泡溃灭冲击直接模拟因空化云结构的复杂性和空化泡群溃灭的随机性而尚无成熟的模拟方法，该技术方案将其等效为一个二维高斯曲线荷载，实现了试验尺度泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟，并且模拟难度低，计算效率高。
23、进一步地，所述混凝土材料参数包括混凝土的密度、弹性模量、抗压强度和泊松比以及声波在混凝土中的传播速度；塑性损伤模型参数包括损伤因子-应变曲线、弹模及强度-应变曲线等。
24、进一步地，采用超声波空蚀试验装置获取空蚀试验中混凝土不同时刻的蚀坑深度；所述超声波空蚀试验装置包括：
25、盛水容器，其内部设置有放置混凝土试样的垫台，其侧壁上设置有进水口和出水口，其内部溶液的温度通过冷却系统进行调节；
26、超声波发生装置，其包括安装于盛水容器顶部的换能器，所述换能器与部分延伸至盛水容器内的振幅杆连接；
27、隔音罩，其用于罩住盛水容器和超声波发生装置，以防止声音外泄；
28、控制器，其与换能器和冷却系统连接，用于对换能器和冷却系统的功率进行调节。
29、进一步地，空蚀试验时，振幅杆的振幅为50μm，振幅杆距离垫台上混凝土试样表面的距离为1mm。
30、本专利技术的有益效果为：本方案基于微射流理论及空化云结构分布特征，可以基于构建的点的等效荷载i和线的等效荷载ii，结合空蚀试验中混凝土的蚀坑深度，反演得到空蚀中心区域的荷载峰值、荷载衰减值和曲线形状参数，以便于模拟该荷载作用下的混凝土空蚀破坏，从而可以分析上述混凝土的抗空蚀破坏能力，以实现泄洪消能结构混凝土材料抗空蚀性能的评估，为泄洪消能结构抗空蚀混凝土的选取提供理论支持。
31、本方案采用上述等效荷载，可以实现混凝土空蚀破坏的宏观模拟，其在泄洪消能结构设计及后期维护时，能够评估混凝土材料的抗空蚀能力；在运行阶段，一方面可判断空化发生后过流面混凝土空蚀发生的程度及其范围，另外一方面，可为混凝土空蚀破坏区域修复提供技术指导，具有广阔的应用前景。
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1.一种基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法，其特征在于，所述等效荷载I的表达式为：
3.根据权利要求1所述的基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法，其特征在于，所述等效荷载II的表达式为：
4.根据权利要求1所述的一种基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法，其特征在于，荷载峰值Pa和荷载衰减值Pb的表达式为：
5.根据权利要求1-4任一所述的基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法，其特征在于，所述混凝土材料参数包括混凝土的密度、弹性模量、抗压强度和泊松比以及声波在混凝土中的传播速度；塑性损伤模型参数包括损伤因子-应变曲线、弹模及强度-应变曲线。
6.根据权利要求1所述的基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法，其特征在于，采用超声波空蚀试验装置获取空蚀试验中混凝土不同时刻的蚀坑深度；所述超声波空蚀试验装置包括：
7.根据权利要求6所述的基于等效荷载的泄洪消能结构
...【技术特征摘要】
1.一种基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法，其特征在于，所述等效荷载i的表达式为：
3.根据权利要求1所述的基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法，其特征在于，所述等效荷载ii的表达式为：
4.根据权利要求1所述的一种基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土空蚀破坏模拟方法，其特征在于，荷载峰值pa和荷载衰减值pb的表达式为：
5.根据权利要求1-4任一所述的基于等效荷载的泄洪消能结构混凝土...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢祥，陈建康，李艳玲，吴震宇，张瀚，裴亮，周靖人，陈辰，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：
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