浅谈计算机仿真技术在水利工程中的应用

随着计算机技术的迅猛发展,计算机仿真技术已发展成为与信息论、控制论、模拟论、人工智能、多媒体技术密切相关的一门实用性很强的技术学科。仿真就是构造一个模型来模仿实际系统所发生的反应过程和试验的技术。计算机仿真就是在计算机上建立仿真模型，模仿实际系统的运动状态及其随时间变化的过程，通过对仿真试验过程的观察和统计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能，使系统性能和长期的动态特性能在极短的时间内由计算机得到全面的实现。利用计算机仿真技术可以解决许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题。近年来计算机仿真技术在结构工程中的应用愈来愈多。

清华大学吴炜煜进行了高耸结构的多媒体仿真系统的研究。研究表明建筑多媒体仿真系统设计软件的关键技术是建立仿真对象的动态的多媒体模型，使模型内在的数学规律与外在的媒体表现、行为模式、形态模式具有一致性。华中理工大学倪强进行了钢筋混凝土框架结构地震作用时的倒塌过程计算机仿真分析,武汉水利水电大学巫世晶进行了混凝土浇筑的仿真析等很多研究者通过商业软件。同济大学的黄定义进行了混凝土裂缝的图形的仿真研究。对混凝土的裂缝进行图形化、参数化、模型化，运用随机处理技术可以形象逼真地仿真裂缝。

美国康奈尔大学研究了用离散单元法模拟岩石边坡的渐进过程。日本东京大学的学者用离散单元法对钢筋混凝土框架结构在遭遇强烈地震作用时的倒塌过程进行计算机仿真分析的研究。研究表明用离散元这种不连续体的数值模型可以仿真节理系统、块体系统、颗粒系统在平衡条件下的变形过程进行边坡滑动、地下洞室的坍塌、房屋结构的倒塌等仿真分析，结合图形技术可进行图形仿真。研究表明计算机仿真在结构工程中有着很好的应用前景。建立水利工程仿真系统是向水利现代化方向发展的一个重大突破。

仿真系统在水利工程中应用

水利水电工程建设是控制国民经济命脉的基础性设施建设。近些年来随着二滩、小浪底、三峡、“南水北调”等大型水利水电工程相继兴建并投入运行，我国在水利水电建设方面取得了新的进展，积累了丰富的设计和施工经验，但同时依然存在一些技术难题，如研究和改进特大地下洞室群高混凝土坝、高土石坝的施工组织设计与管理、提高质量、节省投资、缩短工期等都是富有挑战性的难题。不少在建和待建的水利水电枢纽工程规模巨大，工程具体施工中因素千变万化，随着计算机技术的发展，可以借助计算机仿真技术分析进度变化带来的影响并进行实时动态调整，为水利水电工程建设提供了一个新的分析平台。

1仿真系统在混凝土浇筑温度控制中的应用

用计算机仿真大坝的应力场、温度场,研究混凝土浇筑施工方案,在我国水利行业已悄然兴起。由于混凝土坝是逐层浇筑的,施工过程对坝体温度场和应力场有重要影响。采用固定增量时间推进法模拟大坝施工过程应力场、温度场随时间的变化,对不同浇筑方案进行仿真试验,得到坝体温度场、应力、位移在施工、运行期的分布,从而确定出一个最优施工设计方案。

2利用有限元仿真分析软件对温度场和应力分布进行仿真分析

研究浇筑方案、施工顺序和通水冷却方式对温度、应力的影响。ANSYS软件有较强的流固耦合分析能力,能模拟混凝土温度与水温的相互影响。力求运用更合理、更精确的分析方法。在分析冷却水管通水冷却效果时,采用热流管单元,模拟冷却水在流动过程中与其周围混凝土的换热,以揭示通水冷却的机理。用固定增量时间推进法模拟泄洪坝段导流底孔封堵过程的应力场、温度场随时间的变化。

3仿真系统在地下工程施工中的应用

地下工程施工过程仿真的基本思路是：首先明确施工过程中有哪些活动以及各活动之间的逻辑关系，活动需要哪些初始资源及数目；然后由模型的组成部分按照节点间的逻辑关系建立起循环运行的网络模型。以隧洞工程施工为例，利用该模型进行隧洞施工过程仿真，可得出施工工期、机械设备生产率、资源闲置等待时间、资源利用率、施工费用及找出拥塞点等，从而为决策提出所需的多种信息。基于地下厂房系统施工问题，提出了复杂地下厂房施工系统可视化仿真理论方法，并研制开发了相应的计算机软件ESAS。通过地下洞室群施工全过程动态仿真，可以对施工过程进行定量计算与分析，进行多方案的比较和优化，直到得出满意方案。

采用计算机仿真技术，通过模拟工程对象的循环过程和随机时间，可算出不同资源水平和施工组织情况下循环过程的工期和成本，并找出拥塞点，通过灵敏度分析可以得到合理的机械配套组合及理想的工期成本最优方案。

4仿真系统在导截流和围堰工程施工中的应用

与传统方法相比，借助计算机仿真方法可以更方便、更细致、定量程度更高地研究导截流中存在的问题。以更高的效率，分析论证更多的导截流施工方案，更有效地指挥现场施工，从而降低了施工成本和风险，提高了截流的成功率和导流方案的合理性。截流方法中最常用的是平堵和立堵两种方法。这两种方法，尤其是立堵法的施工过程计算机仿真在料场规划与调度、交通运输组织方面与土石坝施工十分相似。与土石坝不同的是戗堤填筑。以立堵法为例，工程量更加集中，施工强度更大，对机械设备配置的要求更高，施工组织更加严格，而且戗堤基本上是水下施工，截流过程中的填筑方量和抛投材料的粒径受流速变化的制约，一方面填筑方量受截流流量的影响；另一方面，需随着龙口宽度的变化进行所谓的“流速分区”，因此截流施工的计算机仿真较多的依赖于截流水利计算与河道水文、地形、地质条件，模拟截流施工的进程，预测截流水力学参数的变化，确定各分区抛投材料的类型、尺寸和数量，能够为决策机构提供及时、可靠的依据。

结构工程计算机仿真目前存在的问题

从上面的分析可以看出,计算机仿真研究的主要内容是结构模型和分析方法的建立和仿真系统的开发。仿真系统的开发属于计算机技术的应用,可以采用、借鉴计算机相关领域的技术。结构工程研究人员研究的关键是结构和构件的模型和分析方法的建立。

结构和构件的建模应具有相似性、简单性、多面性、有效性的仿真建模的基本特点，应使最终的结构模型达到仿真建模的最高级别:结构有效,即通过建立的模型不但能重复实际结构的反应,且能反映实际结构产生这些反应的运动过程。混凝土材料的本构关系在结构工程仿真中起着“核心”的作用，但由于混凝土材料具有复杂的性质,直至现在还未能提出一个能描述所有条件下混凝土特性的合适的本构关系。而现有的各种本构关系都有其适用范围,因此应基于仿真的目的和要求,根据一定的标准来确定能反应材料内在机理的本构关系。结构工程常用的混凝土本构关系就有多种,如线弹性本构关系、非线弹性本构关系、弹塑性本构关系、粘弹性本构关系、内时理论本构关系、断裂力学本构关系、损伤力学本构关系等。涉及到材料的本构关系,必然需要确定材料的破坏准则,而破坏准则又有很多种,单剪应力系列、八面体剪应力系列、双剪应力系列,三大类破坏准则每一种都包含至少四种准则,每一种准则都有一定的适用范围。而且有的本构关系和破坏准则是根据试验数据拟合得到的,而不是基于理论推导得到的,其虽可应用,但不能揭示材料的内在机理,如全应力-应变关系的某些模型可能违反热力学定律,在物理上不可接受。

20世纪90年代发展起来的统一强度理论及其本构关系具有一个统一的力学模型和统一的数学表达式,从金属到岩土类材料都有成功的应用,也被应用于高速弹体侵彻混凝土的仿真中，但对于复杂的结构体系的应用还需要进一步的研究。对于简单结构如钢筋混凝土梁的仿真,可以按面向对象的概念建立混凝土中的本构关系类,根据仿真的要求重载每一种本构关系来求得各种结果,进行选择优化。

结语

水利工程仿真系统在水利工程设计与施工中有着广泛的应用前景。将施工过程的应力仿真和施工措施仿真相结合同时辅以三维动态显示技术将成为现实,从结构应力和温度应力分析的角度出发，大坝施工过程应力场、温度场计算机仿真研究也悄然兴起，并在一些工程的设计阶段得到应用，效果很好，将施工过程的应力仿真和施工措施仿真相结合同时辅以三维动态显示技术的日子即将来临，这必然为计算机仿真技术在水电工程水工中的应用开辟了更广阔的空间。