基于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法，其包括以下步骤：首先建立防波堤精细结构的三维实体有限元模型；其次建立防波堤结构刚体模型及周边环境实体模型；再通过建立的核电站防波堤三维混合有限元模型加入初始应力进行初始工况的仿真，得到核电站防波堤在重力、海水压力作用下的初始状态；最后在得到核电站防波堤初始应力分布后，得到核电站防波堤在波浪作用下的冲击状况、越浪状况，实现了整体防波堤的模拟。本发明专利技术满足了对于超大规模的核电站防波堤数值模拟的仿真分析，既可以包含整体模型的响应规律，又可以对局部结构进行细致分析，并获得局部危险处，为核电站防波堤的工程设计提供参考依据。

Simulation method of overtopping impact of nuclear power plant Breakwater Based on hybrid model

The invention discloses a method based on the breakwater overtopping impact simulation method of nuclear power plant mixture model, which comprises the following steps: first to establish a three-dimensional finite element model of the fine structure of breakwater breakwater structure; secondly establish the rigid model and the surrounding environment entity model; and then through the establishment of the nuclear power station breakwater three-dimensional hybrid finite element model simulation should be added the initial conditions of the initial stress, get the initial state in the nuclear power station breakwater under the action of gravity, water pressure; finally get the initial stress distribution of Breakwater of nuclear power plant, nuclear power plant, get the impact condition in the breakwater under the action of wave overtopping condition, realizes the simulation of the whole breakwater. The invention meets the simulation analysis for the numerical simulation of large scale nuclear power plant of breakwater, response rules can contain the whole model, and make a detailed analysis of the local structure, and obtain the local risk, provide reference for the engineering design of Breakwater of nuclear power plant.

【技术实现步骤摘要】
基于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法
本专利技术涉及一种核电站防波堤施工
的方法，特别是涉及一种基于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法。
技术介绍
近几十年来，作为一种高效清洁能源，核电事业得到了快速的发展，全球新建的核电站数量在稳步增加。在充分利用核电这种新型能源的同时，其可能导致的危险后果也逐渐被人类重视。出于安全因素的考虑，核电站防波堤的设计标准有着更为严格的要求。当罕见的天气或灾害发生时，如台风潮或海啸，会在核电站周边海域产生大潮、巨浪。当巨浪冲击防波堤，造成挡浪墙等结构的损毁，如缺乏相应的应急措施，核电站建筑物将会遭到不同程度的破坏，堤后方厂区内也会产生大量的积水，危及核电站的安全，造成严重的后果。因此，需要对核电站防波堤抗冲击性能及越浪过程进行数值模拟，以便尽早发现防波堤在施工过程中的薄弱环节及可能出现的问题，为核电站防波堤的设计建设提供技术支持。经对现有技术的检索发现，在核电站防波堤抗冲击及越浪过程模拟领域，与物理模型试验相比较，有限元方法以其简单快捷及结果准确而得到了广泛的应用。然而大多数研究仍集中在防波堤的二维简化模型，对于超大规模的核电站防波堤工程，至今缺乏有效的整体分析方法，在考虑整体结构的分析同时又对局部细节进行细致分析。S.Shin等在CoastalEngineering,2006,Vol.11(5):4580-4592上发表文章“Wavetransformation,impact,andovertoppingonarubblemoundbreakwater:largescalemeasurementsandnumericalmodeling”（“基于大比尺及数值模拟方法的堆石型防波堤海浪传播、冲击及越浪研究”,《海岸工程》，2006，Vol.11(5):4580-4592），文中利用实验测量及数值模拟的方法，研究了二维简化模型下海浪的越浪冲击问题。此类方法将防波堤各护面结构作为流体的固定边界进行模拟，虽然可以模拟海浪的爬升、翻卷及越浪冲击过程，但无法获得防波堤整体的越浪状况以及易损坏结构的应力应变状况，具有很大的局限性。因此，目前还没有一项成熟的数值模拟方法可以对超大规模核电站防波堤即实现全局的分析同时又可以进行局部的精确分析。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法，其满足了对于超大规模的核电站防波堤数值模拟仿真分析，既可以包含整体模型的分析，又可以对局部结构局部细节进行详尽分析。本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤一，根据设计图纸及提供的地质资料，建立防波堤结构局部精细模型；对于比较关键及存在较大结构变化的堤段，建立防波堤精细结构的三维实体有限元模型；防波堤由挡浪墙、堆石、干砌块石、四角空心块结构组成，各部分之间存在大量的接触，有限元模型充分考虑堆石、填土、挡浪墙之间的动态接触关系，并利用多个接触控制参数对接触算法进行优化；防波堤在海浪冲击下，产生位移及变形，同时海浪在防波堤的作用下发生卷吸破碎，两者之间为典型的流固耦合问题，采用任意拉格朗日欧拉方法进行处理；步骤二，建立防波堤结构刚体模型及周边环境实体模型；如果对整条防波堤建立精细有限元模型，其规模将十分巨大，超出现阶段超级计算机的仿真能力；为此在其余堤段，利用刚体进行模拟，在降低模型的计算规模同时，又可以保证边界条件的准确性；再根据地质资料，建立对海浪传播造成影响的礁石、山体周边环境的实体模型，以分析礁石山体周边环境因素对防波堤越浪冲击的影响；最后将步骤一中建立的防波堤局部精细模型与周边刚体模型采用固连接触的方式处理，从而确保结构的连续性；步骤三，通过向以上步骤一和步骤二建立的核电站防波堤三维混合有限元模型加入初始应力进行初始工况的仿真，得到核电站防波堤在重力、海水压力作用下的初始状态；步骤四，在得到核电站防波堤初始应力分布后，根据防波堤堤前不同潮位下的水文要素模拟波浪的生成，并利用非线性有限元方法进行求解，从而得到核电站防波堤在波浪作用下的冲击状况、越浪状况，实现了整体防波堤的模拟。优选地，所述步骤三包括以下步骤：步骤三十一，对核电站防波堤三维混合有限元模型施加全局重力载荷及全局阻尼，重力加速度取值为9.8m/s2，全局阻尼的取值在0.02～0.05之间；对于防波堤底部采用全约束处理、海水侧部边界采用法向约束处理；利用非线性有限元方法对模型进行求解，直到获得整体模型达到平衡状态，并获得整体模型的初始场应力分布；步骤三十二，将步骤三十一得到的初始应力场分布作为初始应力进行导入，并同时施加全局重力进行平衡，获得核电站防波堤在重力、海水压力作用下的初始状态。优选地，所述步骤一和步骤二中，防波堤结构局部精细模型为满足防波堤实际结构的模型，水体模型为根据地质实测及水文要素建立的三维有限元模型，防波堤间各结构为充分考虑彼此接触关系的有限元模型，礁石与山体周边环境为根据实际地形建立的有限元模型。优选地，所述充分考虑彼此接触关系的有限元模型包括两个方面：防波堤各结构之间的接触关系，通过动态接触算法，模拟各结构之间的相互作用关系，另外对于精细模型与局部精细结构和其余结构交接面，在此采用了接触固连的方式，在保证边界条件连续性的条件下，避免在两种不同精细度的网格间划分大量的过渡网格，并通过插值方法进行数据的交换。优选地，所述防波堤堤前不同潮位下的水文要素模拟波浪的生成是指采用边界造波法，通过给定造波边界流体的速度和波高，进行数值波浪的模拟；控制方程主要包括连续性方程和以速度和压力为变量的不可压缩粘性流体的N-S方程，以此来产生可以满足工程应用的二阶斯托克斯波。本专利技术的积极进步效果在于：本专利技术弥补了以往研究方法宏观与微观无法兼顾的不足，提出了一种基于整体结构混合模型的仿真方法。该方法既可以获得防波堤整体在海浪作用下的越浪状况，又可以对关键堤段的关键结构进行细致的分析；同时进行整体及局部的求解，可以获得较为精确的分析结构，为核电站防波堤的工程设计提供参考依据。附图说明图1为本专利技术核电站防波堤仿真模拟流程示意图。图2为本专利技术实例中的核电站防波堤断面有限元模型的示意图。图3为本专利技术实例中的山体有限元模型的示意图。图4为本专利技术实例中的礁石有限元模型的示意图。图5为本专利技术实例中的核电站防波堤堤前波浪模型示意图。图6为本专利技术实例中的关键堤段挡浪墙结构的越浪量分布示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图2至图4所示，本实例所仿真的整体核电站防波堤模型全长约1.8公里，全部采用六面体实体单元，包括山体、礁石、防波堤断面，是典型的超大规模核电站仿真问题。如图1所示，本专利技术基于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法包括以下步骤：第一步，根据设计图纸及提供的地质资料，建立防波堤结构局部精细模型。对于比较关键及存在较大结构变化的堤段，建立防波堤精细结构的三维实体有限元模型。防波堤由挡浪墙、堆石、干砌块石、四角空心块等结构组成，各部分之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤一，根据设计图纸及提供的地质资料，建立防波堤结构局部精细模型；对于比较关键及存在较大结构变化的堤段，建立防波堤精细结构的三维实体有限元模型；防波堤由挡浪墙、堆石、干砌块石、四角空心块结构组成，各部分之间存在大量的接触，有限元模型充分考虑堆石、填土、挡浪墙之间的动态接触关系，并利用多个接触控制参数对接触算法进行优化；防波堤在海浪冲击下，产生位移及变形，同时海浪在防波堤的作用下发生卷吸破碎，两者之间为典型的流固耦合问题，采用任意拉格朗日欧拉方法进行处理；步骤二，建立防波堤结构刚体模型及周边环境实体模型；如果对整条防波堤建立精细有限元模型，其规模将十分巨大，超出现阶段超级计算机的仿真能力；为此在其余堤段，利用刚体进行模拟，在降低模型的计算规模同时，又可以保证边界条件的准确性；再根据地质资料，建立对海浪传播造成影响的礁石、山体周边环境的实体模型，以分析礁石山体周边环境因素对防波堤越浪冲击的影响；最后将步骤一中建立的防波堤局部精细模型与周边刚体模型采用固连接触的方式处理，从而确保结构的连续性；步骤三，通过向以上步骤一和步骤二建立的核电站防波堤三维混合有限元模型加入初始应力进行初始工况的仿真，得到核电站防波堤在重力、海水压力作用下的初始状态；步骤四，在得到核电站防波堤初始应力分布后，根据防波堤堤前不同潮位下的水文要素模拟波浪的生成，并利用非线性有限元方法进行求解，从而得到核电站防波堤在波浪作用下的冲击状况、越浪状况，实现了整体防波堤的模拟。...

【技术特征摘要】
1.一种基于混合模型的核电站防波堤越浪冲击模拟方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤一，根据设计图纸及提供的地质资料，建立防波堤结构局部精细模型；对于比较关键及存在较大结构变化的堤段，建立防波堤精细结构的三维实体有限元模型；防波堤由挡浪墙、堆石、干砌块石、四角空心块结构组成，各部分之间存在大量的接触，有限元模型充分考虑堆石、填土、挡浪墙之间的动态接触关系，并利用多个接触控制参数对接触算法进行优化；防波堤在海浪冲击下，产生位移及变形，同时海浪在防波堤的作用下发生卷吸破碎，两者之间为典型的流固耦合问题，采用任意拉格朗日欧拉方法进行处理；步骤二，建立防波堤结构刚体模型及周边环境实体模型；如果对整条防波堤建立精细有限元模型，其规模将十分巨大，超出现阶段超级计算机的仿真能力；为此在其余堤段，利用刚体进行模拟，在降低模型的计算规模同时，又可以保证边界条件的准确性；再根据地质资料，建立对海浪传播造成影响的礁石、山体周边环境的实体模型，以分析礁石山体周边环境因素对防波堤越浪冲击的影响；最后将步骤一中建立的防波堤局部精细模型与周边刚体模型采用固连接触的方式处理，从而确保结构的连续性；步骤三，通过向以上步骤一和步骤二建立的核电站防波堤三维混合有限元模型加入初始应力进行初始工况的仿真，得到核电站防波堤在重力、海水压力作用下的初始状态；步骤四，在得到核电站防波堤初始应力分布后，根据防波堤堤前不同潮位下的水文要素模拟波浪的生成，并利用非线性有限元方法进行求解，从而得到核电站防波堤在波浪作用下的冲击状况、越浪状况，实现了整体防波堤的模拟；所述步骤一和步骤二中，防波堤结构局部精细...

【专利技术属性】
技术研发人员：王欢欢，金先龙，杨勋，楼云峰，王小庆，张伟伟，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：