核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法
2023-10-17 23:59:04
核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法，其包括以下步驟：根據工程防浪堤斷面幾何參數、軸向空間幾何參數，提供防浪堤三維重構幾何信息；根據工程防浪堤所用護面結構、堤身結構工程材料，提供防浪堤材料性能信息；根據防浪堤前歷年水文記錄信息，提供防浪堤抗波浪衝擊性能檢測的環境信息；利用材料性能參數及防浪堤的幾何設計參數建立三維局部防浪堤模型；利用材料性能參數、三維空間幾何參數以及步驟三中擬定的計算參數建立三維總體防浪堤模型，分析防浪堤沿水平方向上的表面波壓力、結構衝擊應力響應分布情況。本發明解決了沿海防浪堤的局部與總體性能檢測問題，有效提高了設計效率，減少了試驗的隨機性與資金的投入。
【專利說明】核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種海岸工程【技術領域】的檢測方法，特別是涉及一種核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法。
【背景技術】
[0002]防浪堤在沿海核電站、港口等重要設施中有廣泛應用，其結構設計研究主要通過波浪模型試驗加以完成，在結構的設計試驗過程中，發現防浪堤護面結構經常發生傾覆失穩、破損等情況。因此，迫切需要一套針對沿海防浪堤抗波浪衝擊性能檢測方法，能夠指導防浪堤結構設計，同時能夠減少試驗費用。
[0003]經對現有技術的檢索發現，國內外對防浪堤簡化模型試驗，以及在其基礎上的數值算法研究較多，很少涉及實際工程防浪堤抗波浪衝擊設計。其中，美國喬治.梅森大學的Chi Yang教授等人在《Journal of Hydrodynamics))(水動力學研究與進展)發表了「Onthe simulation of highly nonlinear wave-breakwater interactions，，(高度非線性波與防浪堤相互作用的模擬)文章，該文通過基於流固耦合的數值模型預測了不同護面結構對防浪堤消波和控制越浪性能，證實了這種數值模擬有效的預測了波浪與防浪堤耦合作用情況。然而這些防浪堤抗波浪衝擊性能檢測方法還存在以下幾點不足:一、針對沿海防浪堤抗波浪衝擊性能的檢測缺少；二、試驗對防浪堤局部斷面或局部關鍵區域進行測試；三、不能對空間結構複雜的工程防浪堤進行預演測試；四、此外，該類型的試驗費用相當高。在進一步的檢索中，尚未發現與本發明主題相同或者類似的文獻報導。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是提供一種核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法，其解決了沿海防浪堤的局部與總體性能檢測問題，有效提高了設計效率，減少了試驗的隨機性與資金的投入。
[0005]本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的:一種核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法，其特徵在於，其包括以下步驟:
[0006]步驟一，根據工程防浪堤斷面幾何參數、軸向空間幾何參數，提供防浪堤三維重構幾何信息；
[0007]步驟二，根據工程防浪堤所用護面結構、堤身結構工程材料，提供防浪堤材料性能信息；
[0008]步驟三，根據防浪堤前歷年水文記錄信息，提供防浪堤抗波浪衝擊性能檢測的環境信息;
[0009]步驟四，利用材料性能參數及防浪堤的幾何設計參數建立三維局部防浪堤模型，通過建立的三維防浪堤模型，採用罰函數的方式實現流固耦合，並採用波浪試驗的數值再現進行防浪堤波浪衝擊的安全性檢測，分析防浪堤沿高程方向上的表面波壓力、結構衝擊應力分布情況，並為總體防浪堤抗波浪衝擊性能的檢測提供模擬計算參數信息；[0010]步驟五，利用材料性能參數、三維空間幾何參數以及步驟三中擬定的計算參數建立三維總體防浪堤模型，通過總體模型進行波浪衝擊行為檢測，分析防浪堤沿水平方向上的表面波壓力、結構衝擊應力響應分布情況。
[0011]優選地，所述工程防浪堤斷面幾何參數包括以下參數:前、後擋浪牆高程；堤頂高程；堤頂寬度；防浪堤坡度、各護面結構斷面尺寸；軸向空間幾何參數是指防浪堤軸向延伸空間曲線參數。
[0012]優選地，所述工程防浪堤所用護面結構、堤身結構工程是指防浪堤表面防護層與防浪堤內部堆砌層，包括擋浪牆、四角空心塊、預製板、幹砌塊石、栓預製塊、碎石。
[0013]優選地，所述防浪堤前歷年水文記錄信息是指防浪堤前波浪和潮位資料，包括規則波波高、波長、波周期、水深；孤立波波高以及非規則波波譜能量尺度參數、譜峰升高因子、譜峰頻率、有效波高。
[0014]優選地，所述罰函數的方式實現流固耦合，是指為保證流固耦合中能量守恆所採用的一種耦合方式，流體與結構相互接觸時，一般將流體作為主面，結構作為從面，計算時先檢查從節點是否穿透主面，如果穿透，則在從節點與主面間、主節點與從面間引入一個較大的界面接觸力，大小與穿透深度、接觸剛度成正比，相當於在主、從面間放置一系列法向彈簧，限制穿透。
[0015]優選地，所述三維局部防浪堤模型是與波浪試驗模型一致的重構模型，防浪堤模型中護面及堤身各組件通過接觸實現動態連接，邊界條件保證與試驗一致，同時施加試驗水文工況，對數值計算參數以及沿防浪堤高程方向上的波壓力、結構應力進行檢測。
[0016]優選地，所述三維總體防浪堤模型進行波浪衝擊性能檢測，是指對通過材料性能參數、三維空間幾何參數以及計算參數建立三維實際工程防浪堤模型，其中防浪堤護面結構及堤身結構各組件採用接觸處理，邊界條件與實際相符，同時施加實際工況，對工程防浪堤抗波浪衝擊性能進行檢測，包括沿防浪堤軸向波壓力和結構應力分布情況。
[0017]本發明的積極進步效果在於:本發明具有可操作性強、方便、簡單等特點，能夠較準確的對沿海防浪堤抗波浪衝擊性能進行局部與總體的測試，通過局部模型再現波浪試驗，使得數值檢測與以往的試驗檢測在定性和定量上有直接對比，保證了計算參數的準確性，利用罰函數方式實現的流固耦合具有保證能量守恆的優點，使得防浪堤抗波浪衝擊性能在局部和總體檢測的結果更加可信。本發明可以應用在設計過程的多個階段。在設計前，根據目前水文條件、材料參數、幾何參數進行預演，以便為設計人員提供更全面、更準確的設計參數；在設計後，對於防浪堤堤身有沉降、堤前水文條件發生變化的已建防浪堤，可以對防浪堤重新進行性能評估。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明中局部防浪堤-波浪耦合模型的側視圖。
[0019]圖2為本發明中罰函數方式開始耦合的示意圖。
[0020]圖3為本發明中罰函數方式稱合後的不意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。[0022]本發明核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法包括以下步驟:
[0023]步驟一，根據工程防浪堤斷面幾何參數、軸向空間幾何參數，提供防浪堤三維重構幾何信息；工程防浪堤斷面幾何參數包括以下參數:前、後擋浪牆高程；堤頂高程；堤頂寬度；防浪堤坡度、各護面結構斷面尺寸；軸向空間幾何參數是指防浪堤軸向延伸空間曲線參數。
[0024]步驟二，根據工程防浪堤所用護面結構、堤身結構工程材料，提供防浪堤材料性能信息；工程防浪堤所用護面結構、堤身結構工程是指防浪堤表面防護層與防浪堤內部堆砌層，包括擋浪牆、四角空心塊、預製板、幹砌塊石、栓預製塊、碎石。
[0025]步驟三，根據防浪堤前歷年水文記錄信息，提供防浪堤抗波浪衝擊性能檢測的環境信息；所述防浪堤前歷年水文記錄信息是指防浪堤前波浪和潮位資料，包括規則波波高、波長、波周期、水深；孤立波波高以及非規則波(Jonswap)波譜能量尺度參數、譜峰升高因子、譜峰頻率、有效波高。
[0026]步驟四，利用材料性能參數及防浪堤的幾何設計參數建立三維局部防浪堤模型，通過建立的三維防浪堤模型，採用罰函數的方式實現流固耦合，並採用波浪試驗的數值再現進行防浪堤波浪衝擊的安全性檢測，分析防浪堤沿高程方向上的表面波壓力、結構衝擊應力分布情況，並為總體防浪堤抗波浪衝擊性能的檢測提供模擬計算參數信息；罰函數的方式實現流固耦合，是指為保證流固耦合中能量守恆所採用的一種耦合方式，流體與結構相互接觸時，一般將流體作為主面，結構作為從面，計算時先檢查從節點是否穿透主面，如果穿透，則在從節點與主面間、主節點與從面間引入一個較大的界面接觸力，大小與穿透深度、接觸剛度成正比，相當於在主、從面間放置一系列法向彈簧，限制穿透。三維局部防浪堤模型是與波浪試驗模型一致的重構模型，防浪堤模型中護面及堤身各組件通過接觸實現動態連接，邊界條件保證與試驗一致，同時施加試驗水文工況，對數值計算參數以及沿防浪堤高程方向上的波壓力、結構應力進行檢測。
[0027]步驟五，利用材料性能參數、三維空間幾何參數以及步驟三中擬定的計算參數建立三維總體防浪堤模型，通過總體模型進行波浪衝擊行為檢測，分析防浪堤沿水平方向上的表面波壓力、結構衝擊應力響應分布情況。三維總體防浪堤模型進行波浪衝擊性能檢測，是指對通過材料性能參數、三維空間幾何參數以及計算參數建立三維實際工程防浪堤模型，其中防浪堤護面結構及堤身結構各組件採用接觸處理，邊界條件與實際相符，同時施加實際工況，對工程防浪堤抗波浪衝擊性能進行檢測，包括沿防浪堤軸向波壓力和結構應力分布情況。
[0028]本實施例具體實施步驟如下:
[0029]具體例為國內已建的某沿海核電站防浪堤抗波浪衝擊性能進行預測，核電站防浪堤是一種針對大風浪衝擊及越浪的重要防護設施。堤身採用堆石構成，表面鋪設預製混凝土材料的擋浪牆、四腳空心塊、幹砌塊石、檢預製塊。
[0030]( I)通過防浪堤工程設計圖，提取防浪堤斷面及軸向幾何參數。
[0031](2)按照防浪堤堤身及護面結構使用的材料，提取材料參數。
[0032](3)按照《核電站防浪堤設計基準洪水位專題報告》，提取堤前波浪和潮位參數。
[0033](4)採用罰函數的方式實現流體與結構的耦合，進行防浪堤抗波浪衝擊的安全性預測。[0034]根據防浪堤結構幾何參數，結構部分採用Lagrangian描述，流體部分採用ALE(ArbitraryLagrange-Eule)描述,通過有限元程序建立局部防浪堤-波浪稱合模型,如圖1所示。邊界條件與實際相符。
[0035]根據波浪理論公式得到數值水槽波浪入射條件，保證數值造波得到的波形與試驗造波所得的波形一致。
[0036]流體與結構的耦合採用罰函數方式，罰函數方式如圖2和圖3所示。在求解過程中，先檢查結構節點是否穿透流體單元，如果穿透，貝1J在流體節點與結構節點間定義矢量d,該矢量的方向由主、從節點間的相對位置確定，數值大小由穿透深度、接觸剛度決定，同時施加與該矢量相反的力矢量實現流體與結構的耦合。
[0037]基於局部防浪堤-波浪耦合模型，可得到防浪堤沿高程方向上的表面波壓力、結構衝擊應力分布情況，並為總體防浪堤抗波浪衝擊性能的檢測提供模擬計算參數信息。
[0038](5)基於總體防浪堤-波浪耦合模型，可得到防浪堤沿水平方向上表面波壓力、結構衝擊應力響應分布情況。
[0039]根據材料性能參數、三維空間幾何參數以及局部模型中擬定的計算參數建立三維總體防浪堤模型，分析防浪堤結構和堤前水文條件對防浪堤抗波浪衝擊性能的影響規律。
[0040]以上所述步驟實現該類沿海防浪堤抗波浪衝擊的數值檢測，這種方法為高效率的開發、設計沿海防浪堤結構提供了有力的指導，實現了沿海防浪堤的局部與總體設計。
[0041]通過本實施例檢測了防浪堤前、後擋浪牆上最大波浪壓力分別為5.85Kpa、
5.05Kpa，與波浪試驗結果誤差率為1.2%與3.8%。同時預測防浪堤斷面結構應力較大位置於後牆與堤頂連接處，隨著防浪堤斷面幾何參數的變化，防浪堤表面波壓力及結構應力發生較大變化，尤其是堤頂寬度的減小，大大增加了波浪衝擊下的結構應力響應，防浪堤軸線方向結構應力較大位置於弧段與直段連接處。與現有技術相比，本實施例解決了防浪堤設計過程中抗波浪衝擊性能不易測定的問題，且該方法簡單、易行，加深沿海防浪堤斷面結構布置對其抗波浪衝擊性能的影響認識，有效提高設施設計效率，減少了試驗的隨機性與資金的投入，為更加準確、高效率地優化設計沿海防浪堤提供了有力的理論依據與科學指導。
[0042]以上所述的具體實施例，對本發明的解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法，其特徵在於，其包括以下步驟: 步驟一，根據工程防浪堤斷面幾何參數、軸向空間幾何參數，提供防浪堤三維重構幾何信息； 步驟二，根據工程防浪堤所用護面結構、堤身結構工程材料，提供防浪堤材料性能信息； 步驟三，根據防浪堤前歷年水文記錄信息，提供防浪堤抗波浪衝擊性能檢測的環境信息； 步驟四，利用材料性能參數及防浪堤的幾何設計參數建立三維局部防浪堤模型，通過建立的三維防浪堤模型，採用罰函數的方式實現流固耦合，並採用波浪試驗的數值再現進行防浪堤波浪衝擊的安全性檢測，分析防浪堤沿高程方向上的表面波壓力、結構衝擊應力分布情況，並為總體防浪堤抗波浪衝擊性能的檢測提供模擬計算參數信息； 步驟五，利用材料性能參數、三維空間幾何參數以及步驟三中擬定的計算參數建立三維總體防浪堤模型，通過總體模型進行波浪衝擊行為檢測，分析防浪堤沿水平方向上的表面波壓力、結構衝擊應力響應分布情況。
2.如權利要求1所述的核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法，其特徵在於，所述工程防浪堤斷面幾何參數包括以下參數:前、後擋浪牆高程；堤頂高程；堤頂寬度；防浪堤坡度、各護面結構斷面尺寸；軸向空間幾何參數是指防浪堤軸向延伸空間曲線參數。
3.如權利要求1所述的核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法，其特徵在於，所述工程防浪堤所用護面結構、堤身結構工程是指防浪堤表面防護層與防浪堤內部堆砌層，包括擋浪牆、四角空心塊、預製板、幹砌塊石、栓預製塊、碎石。
4.如權利要求1所述的核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法，其特徵在於，所述防浪堤前歷年水文記錄信息是指防浪堤前波浪和潮位資料，包括規則波波高、波長、波周期、水深；孤立波波高以及非規則波波譜能量尺度參數、譜峰升高因子、譜峰頻率、有效波聞。
5.如權利要求1所述的核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法，其特徵在於，所述罰函數的方式實現流固耦合，是指為保證流固耦合中能量守恆所採用的一種耦合方式，流體與結構相互接觸時，一般將流體作為主面，結構作為從面，計算時先檢查從節點是否穿透主面，如果穿透，則在從節點與主面間、主節點與從面間引入一個較大的界面接觸力，大小與穿透深度、接觸剛度成正比，相當於在主、從面間放置一系列法向彈簧，限制穿透。
6.如權利要求1所述的核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法，其特徵在於，所述三維局部防浪堤模型是與波浪試驗模型一致的重構模型，防浪堤模型中護面及堤身各組件通過接觸實現動態連接，邊界條件保證與試驗一致，同時施加試驗水文工況，對數值計算參數以及沿防浪堤高程方向上的波壓力、結構應力進行檢測。
7.如權利要求1所述的核電站防浪堤抗波浪衝擊性能數值檢測方法，其特徵在於，所述三維總體防浪堤模型進行波浪衝擊性能檢測，是指對通過材料性能參數、三維空間幾何參數以及計算參數建立三維實際工程防浪堤模型，其中防浪堤護面結構及堤身結構各組件採用接觸處理，邊界條件與實際相符，同時施加實際工況，對工程防浪堤抗波浪衝擊性能進行檢測，包括沿防浪堤軸向波壓力和結構應力分布情況。
【文檔編號】G01M10/00GK103542999SQ201310463808
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】樓雲峰, 金先龍, 楊勳, 王歡歡, 苗新強 申請人:上海交通大學