核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)值檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)值檢測方法，其包括以下步驟：根據(jù)工程防浪堤斷面幾何參數(shù)、軸向空間幾何參數(shù)，提供防浪堤三維重構(gòu)幾何信息；根據(jù)工程防浪堤所用護面結(jié)構(gòu)、堤身結(jié)構(gòu)工程材料，提供防浪堤材料性能信息；根據(jù)防浪堤前歷年水文記錄信息，提供防浪堤抗波浪沖擊性能檢測的環(huán)境信息；利用材料性能參數(shù)及防浪堤的幾何設(shè)計參數(shù)建立三維局部防浪堤模型；利用材料性能參數(shù)、三維空間幾何參數(shù)以及步驟三中擬定的計算參數(shù)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(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力響應(yīng)分布情況。本發(fā)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(shè)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沖擊性能數(shù)值檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種海岸工程【技術(shù)領(lǐng)域】的檢測方法，特別是涉及一種核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)值檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]防浪堤在沿海核電站、港口等重要設(shè)施中有廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計研究主要通過波浪模型試驗加以完成，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計試驗過程中，發(fā)現(xiàn)防浪堤護面結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生傾覆失穩(wěn)、破損等情況。因此，迫切需要一套針對沿海防浪堤抗波浪沖擊性能檢測方法，能夠指導(dǎo)防浪堤結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時能夠減少試驗費用。
[0003]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對防浪堤簡化模型試驗，以及在其基礎(chǔ)上的數(shù)值算法研究較多，很少涉及實際工程防浪堤抗波浪沖擊設(shè)計。其中，美國喬治.梅森大學(xué)的Chi Yang教授等人在《Journal of Hydrodynamics))(水動力學(xué)研究與進展)發(fā)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，該文通過基于流固耦合的數(shù)值模型預(yù)測了不同護面結(jié)構(gòu)對防浪堤消波和控制越浪性能，證實了這種數(shù)值模擬有效的預(yù)測了波浪與防浪堤耦合作用情況。然而這些防浪堤抗波浪沖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沖擊性能的檢測缺少；二、試驗對防浪堤局部斷面或局部關(guān)鍵區(qū)域進行測試；三、不能對空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程防浪堤進行預(yù)演測試；四、此外，該類型的試驗費用相當(dāng)高。在進一步的檢索中，尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明主題相同或者類似的文獻報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)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(shè)計效率，減少了試驗的隨機性與資金的投入。
[0005]本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的:一種核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)值檢測方法，其特征在于，其包括以下步驟:
[0006]步驟一，根據(jù)工程防浪堤斷面幾何參數(shù)、軸向空間幾何參數(shù)，提供防浪堤三維重構(gòu)幾何信息；
[0007]步驟二，根據(jù)工程防浪堤所用護面結(jié)構(gòu)、堤身結(jié)構(gòu)工程材料，提供防浪堤材料性能信息；
[0008]步驟三，根據(jù)防浪堤前歷年水文記錄信息，提供防浪堤抗波浪沖擊性能檢測的環(huán)境信息;
[0009]步驟四，利用材料性能參數(shù)及防浪堤的幾何設(shè)計參數(shù)建立三維局部防浪堤模型，通過建立的三維防浪堤模型，采用罰函數(shù)的方式實現(xiàn)流固耦合，并采用波浪試驗的數(shù)值再現(xiàn)進行防浪堤波浪沖擊的安全性檢測，分析防浪堤沿高程方向上的表面波壓力、結(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力分布情況，并為總體防浪堤抗波浪沖擊性能的檢測提供模擬計算參數(shù)信息；[0010]步驟五，利用材料性能參數(shù)、三維空間幾何參數(shù)以及步驟三中擬定的計算參數(shù)建立三維總體防浪堤模型，通過總體模型進行波浪沖擊行為檢測，分析防浪堤沿水平方向上的表面波壓力、結(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力響應(yīng)分布情況。
[0011]優(yōu)選地，所述工程防浪堤斷面幾何參數(shù)包括以下參數(shù):前、后擋浪墻高程；堤頂高程；堤頂寬度；防浪堤坡度、各護面結(jié)構(gòu)斷面尺寸；軸向空間幾何參數(shù)是指防浪堤軸向延伸空間曲線參數(shù)。
[0012]優(yōu)選地，所述工程防浪堤所用護面結(jié)構(gòu)、堤身結(jié)構(gòu)工程是指防浪堤表面防護層與防浪堤內(nèi)部堆砌層，包括擋浪墻、四角空心塊、預(yù)制板、干砌塊石、栓預(yù)制塊、碎石。
[0013]優(yōu)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(guī)則波波高、波長、波周期、水深；孤立波波高以及非規(guī)則波波譜能量尺度參數(shù)、譜峰升高因子、譜峰頻率、有效波高。
[0014]優(yōu)選地，所述罰函數(shù)的方式實現(xiàn)流固耦合，是指為保證流固耦合中能量守恒所采用的一種耦合方式，流體與結(jié)構(gòu)相互接觸時，一般將流體作為主面，結(jié)構(gòu)作為從面，計算時先檢查從節(jié)點是否穿透主面，如果穿透，則在從節(jié)點與主面間、主節(jié)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(dāng)于在主、從面間放置一系列法向彈簧，限制穿透。
[0015]優(yōu)選地，所述三維局部防浪堤模型是與波浪試驗?zāi)Ｐ鸵恢碌闹貥?gòu)模型，防浪堤模型中護面及堤身各組件通過接觸實現(xiàn)動態(tài)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(shù)值計算參數(shù)以及沿防浪堤高程方向上的波壓力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行檢測。
[0016]優(yōu)選地，所述三維總體防浪堤模型進行波浪沖擊性能檢測，是指對通過材料性能參數(shù)、三維空間幾何參數(shù)以及計算參數(shù)建立三維實際工程防浪堤模型，其中防浪堤護面結(jié)構(gòu)及堤身結(jié)構(gòu)各組件采用接觸處理，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沖擊性能進行檢測，包括沿防浪堤軸向波壓力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況。
[0017]本發(fā)明的積極進步效果在于:本發(fā)明具有可操作性強、方便、簡單等特點，能夠較準(zhǔn)確的對沿海防浪堤抗波浪沖擊性能進行局部與總體的測試，通過局部模型再現(xiàn)波浪試驗，使得數(shù)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(shù)的準(zhǔn)確性，利用罰函數(shù)方式實現(xiàn)的流固耦合具有保證能量守恒的優(yōu)點，使得防浪堤抗波浪沖擊性能在局部和總體檢測的結(jié)果更加可信。本發(fā)明可以應(yīng)用在設(shè)計過程的多個階段。在設(shè)計前，根據(jù)目前水文條件、材料參數(shù)、幾何參數(shù)進行預(yù)演，以便為設(shè)計人員提供更全面、更準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)；在設(shè)計后，對于防浪堤堤身有沉降、堤前水文條件發(fā)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(fā)明中局部防浪堤-波浪耦合模型的側(cè)視圖。
[0019]圖2為本發(fā)明中罰函數(shù)方式開始耦合的示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明中罰函數(shù)方式稱合后的不意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案。[0022]本發(fā)明核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)值檢測方法包括以下步驟:
[0023]步驟一，根據(jù)工程防浪堤斷面幾何參數(shù)、軸向空間幾何參數(shù)，提供防浪堤三維重構(gòu)幾何信息；工程防浪堤斷面幾何參數(shù)包括以下參數(shù):前、后擋浪墻高程；堤頂高程；堤頂寬度；防浪堤坡度、各護面結(jié)構(gòu)斷面尺寸；軸向空間幾何參數(shù)是指防浪堤軸向延伸空間曲線參數(shù)。
[0024]步驟二，根據(jù)工程防浪堤所用護面結(jié)構(gòu)、堤身結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、堤身結(jié)構(gòu)工程是指防浪堤表面防護層與防浪堤內(nèi)部堆砌層，包括擋浪墻、四角空心塊、預(yù)制板、干砌塊石、栓預(yù)制塊、碎石。
[0025]步驟三，根據(jù)防浪堤前歷年水文記錄信息，提供防浪堤抗波浪沖擊性能檢測的環(huán)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(guī)則波波高、波長、波周期、水深；孤立波波高以及非規(guī)則波(Jonswap)波譜能量尺度參數(shù)、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(shù)及防浪堤的幾何設(shè)計參數(shù)建立三維局部防浪堤模型，通過建立的三維防浪堤模型，采用罰函數(shù)的方式實現(xiàn)流固耦合，并采用波浪試驗的數(shù)值再現(xiàn)進行防浪堤波浪沖擊的安全性檢測，分析防浪堤沿高程方向上的表面波壓力、結(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力分布情況，并為總體防浪堤抗波浪沖擊性能的檢測提供模擬計算參數(shù)信息；罰函數(shù)的方式實現(xiàn)流固耦合，是指為保證流固耦合中能量守恒所采用的一種耦合方式，流體與結(jié)構(gòu)相互接觸時，一般將流體作為主面，結(jié)構(gòu)作為從面，計算時先檢查從節(jié)點是否穿透主面，如果穿透，則在從節(jié)點與主面間、主節(jié)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(dāng)于在主、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?zāi)Ｐ鸵恢碌闹貥?gòu)模型，防浪堤模型中護面及堤身各組件通過接觸實現(xiàn)動態(tài)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(shù)值計算參數(shù)以及沿防浪堤高程方向上的波壓力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行檢測。
[0027]步驟五，利用材料性能參數(shù)、三維空間幾何參數(shù)以及步驟三中擬定的計算參數(shù)建立三維總體防浪堤模型，通過總體模型進行波浪沖擊行為檢測，分析防浪堤沿水平方向上的表面波壓力、結(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力響應(yīng)分布情況。三維總體防浪堤模型進行波浪沖擊性能檢測，是指對通過材料性能參數(shù)、三維空間幾何參數(shù)以及計算參數(shù)建立三維實際工程防浪堤模型，其中防浪堤護面結(jié)構(gòu)及堤身結(jié)構(gòu)各組件采用接觸處理，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沖擊性能進行檢測，包括沿防浪堤軸向波壓力和結(jié)構(gòu)應(yīng)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(nèi)已建的某沿海核電站防浪堤抗波浪沖擊性能進行預(yù)測，核電站防浪堤是一種針對大風(fēng)浪沖擊及越浪的重要防護設(shè)施。堤身采用堆石構(gòu)成，表面鋪設(shè)預(yù)制混凝土材料的擋浪墻、四腳空心塊、干砌塊石、檢預(yù)制塊。
[0030]( I)通過防浪堤工程設(shè)計圖，提取防浪堤斷面及軸向幾何參數(shù)。
[0031](2)按照防浪堤堤身及護面結(jié)構(gòu)使用的材料，提取材料參數(shù)。
[0032](3)按照《核電站防浪堤設(shè)計基準(zhǔn)洪水位專題報告》，提取堤前波浪和潮位參數(shù)。
[0033](4)采用罰函數(shù)的方式實現(xiàn)流體與結(jié)構(gòu)的耦合，進行防浪堤抗波浪沖擊的安全性預(yù)測。[0034]根據(jù)防浪堤結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，結(jié)構(gòu)部分采用Lagrangian描述，流體部分采用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(jù)波浪理論公式得到數(shù)值水槽波浪入射條件，保證數(shù)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(jié)構(gòu)的耦合采用罰函數(shù)方式，罰函數(shù)方式如圖2和圖3所示。在求解過程中，先檢查結(jié)構(gòu)節(jié)點是否穿透流體單元，如果穿透，貝1J在流體節(jié)點與結(jié)構(gòu)節(jié)點間定義矢量d,該矢量的方向由主、從節(jié)點間的相對位置確定，數(shù)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(xiàn)流體與結(jié)構(gòu)的耦合。
[0037]基于局部防浪堤-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(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力分布情況，并為總體防浪堤抗波浪沖擊性能的檢測提供模擬計算參數(shù)信息。
[0038](5)基于總體防浪堤-波浪耦合模型，可得到防浪堤沿水平方向上表面波壓力、結(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力響應(yīng)分布情況。
[0039]根據(jù)材料性能參數(shù)、三維空間幾何參數(shù)以及局部模型中擬定的計算參數(shù)建立三維總體防浪堤模型，分析防浪堤結(jié)構(gòu)和堤前水文條件對防浪堤抗波浪沖擊性能的影響規(guī)律。
[0040]以上所述步驟實現(xiàn)該類沿海防浪堤抗波浪沖擊的數(shù)值檢測，這種方法為高效率的開發(fā)、設(shè)計沿海防浪堤結(jié)構(gòu)提供了有力的指導(dǎo)，實現(xiàn)了沿海防浪堤的局部與總體設(shè)計。
[0041]通過本實施例檢測了防浪堤前、后擋浪墻上最大波浪壓力分別為5.85Kpa、
5.05Kpa，與波浪試驗結(jié)果誤差率為1.2%與3.8%。同時預(yù)測防浪堤斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大位置于后墻與堤頂連接處，隨著防浪堤斷面幾何參數(shù)的變化，防浪堤表面波壓力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生較大變化，尤其是堤頂寬度的減小，大大增加了波浪沖擊下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)，防浪堤軸線方向結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大位置于弧段與直段連接處。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實施例解決了防浪堤設(shè)計過程中抗波浪沖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(jié)構(gòu)布置對其抗波浪沖擊性能的影響認識，有效提高設(shè)施設(shè)計效率，減少了試驗的隨機性與資金的投入，為更加準(zhǔn)確、高效率地優(yōu)化設(shè)計沿海防浪堤提供了有力的理論依據(jù)與科學(xué)指導(dǎo)。
[0042]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)值檢測方法，其特征在于，其包括以下步驟: 步驟一，根據(jù)工程防浪堤斷面幾何參數(shù)、軸向空間幾何參數(shù)，提供防浪堤三維重構(gòu)幾何信息； 步驟二，根據(jù)工程防浪堤所用護面結(jié)構(gòu)、堤身結(jié)構(gòu)工程材料，提供防浪堤材料性能信息； 步驟三，根據(jù)防浪堤前歷年水文記錄信息，提供防浪堤抗波浪沖擊性能檢測的環(huán)境信息； 步驟四，利用材料性能參數(shù)及防浪堤的幾何設(shè)計參數(shù)建立三維局部防浪堤模型，通過建立的三維防浪堤模型，采用罰函數(shù)的方式實現(xiàn)流固耦合，并采用波浪試驗的數(shù)值再現(xiàn)進行防浪堤波浪沖擊的安全性檢測，分析防浪堤沿高程方向上的表面波壓力、結(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力分布情況，并為總體防浪堤抗波浪沖擊性能的檢測提供模擬計算參數(shù)信息； 步驟五，利用材料性能參數(shù)、三維空間幾何參數(shù)以及步驟三中擬定的計算參數(shù)建立三維總體防浪堤模型，通過總體模型進行波浪沖擊行為檢測，分析防浪堤沿水平方向上的表面波壓力、結(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力響應(yīng)分布情況。
2.如權(quán)利要求1所述的核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)值檢測方法，其特征在于，所述工程防浪堤斷面幾何參數(shù)包括以下參數(shù):前、后擋浪墻高程；堤頂高程；堤頂寬度；防浪堤坡度、各護面結(jié)構(gòu)斷面尺寸；軸向空間幾何參數(shù)是指防浪堤軸向延伸空間曲線參數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)值檢測方法，其特征在于，所述工程防浪堤所用護面結(jié)構(gòu)、堤身結(jié)構(gòu)工程是指防浪堤表面防護層與防浪堤內(nèi)部堆砌層，包括擋浪墻、四角空心塊、預(yù)制板、干砌塊石、栓預(yù)制塊、碎石。
4.如權(quán)利要求1所述的核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)值檢測方法，其特征在于，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(guī)則波波高、波長、波周期、水深；孤立波波高以及非規(guī)則波波譜能量尺度參數(shù)、譜峰升高因子、譜峰頻率、有效波聞。
5.如權(quán)利要求1所述的核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)值檢測方法，其特征在于，所述罰函數(shù)的方式實現(xiàn)流固耦合，是指為保證流固耦合中能量守恒所采用的一種耦合方式，流體與結(jié)構(gòu)相互接觸時，一般將流體作為主面，結(jié)構(gòu)作為從面，計算時先檢查從節(jié)點是否穿透主面，如果穿透，則在從節(jié)點與主面間、主節(jié)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(dāng)于在主、從面間放置一系列法向彈簧，限制穿透。
6.如權(quán)利要求1所述的核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)值檢測方法，其特征在于，所述三維局部防浪堤模型是與波浪試驗?zāi)Ｐ鸵恢碌闹貥?gòu)模型，防浪堤模型中護面及堤身各組件通過接觸實現(xiàn)動態(tài)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(shù)值計算參數(shù)以及沿防浪堤高程方向上的波壓力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行檢測。
7.如權(quán)利要求1所述的核電站防浪堤抗波浪沖擊性能數(shù)值檢測方法，其特征在于，所述三維總體防浪堤模型進行波浪沖擊性能檢測，是指對通過材料性能參數(shù)、三維空間幾何參數(shù)以及計算參數(shù)建立三維實際工程防浪堤模型，其中防浪堤護面結(jié)構(gòu)及堤身結(jié)構(gòu)各組件采用接觸處理，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沖擊性能進行檢測，包括沿防浪堤軸向波壓力和結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】樓云峰, 金先龍, 楊勛, 王歡歡, 苗新強 申請人:上海交通大學(xué)