隨著計算機技術的迅猛發展,計算機仿真技術已發展成為與信息論、控制論、模擬論、人工智能、多媒體技術密切相關的一門實用性很強的技術學科。仿真就是構造一個模型來模仿實際系統所發生的反應過程和試驗的技術。計算機仿真就是在計算機上建立仿真模型，模仿實際系統的運動狀態及其隨時間變化的過程，通過對仿真試驗過程的觀察和統計，得到被仿真系統的仿真輸出參數和基本特性，以此來估計和推斷實際系統的真實參數和真實性能，使系統性能和長期的動態特性能在極短的時間內由計算機得到全面的實現。利用計算機仿真技術可以解決許多復雜而無法用數學手段解析求解的問題。近年來計算機仿真技術在結構工程中的應用愈來愈多。

清華大學吳煒煜進行了高聳結構的多媒體仿真系統的研究。研究表明建筑多媒體仿真系統設計軟件的關鍵技術是建立仿真對象的動態的多媒體模型，使模型內在的數學規律與外在的媒體表現、行為模式、形態模式具有一致性。華中理工大學倪強進行了鋼筋混凝土框架結構地震作用時的倒塌過程計算機仿真分析,武漢水利水電大學巫世晶進行了混凝土澆筑的仿真析等很多研究者通過商業軟件。同濟大學的黃定義進行了混凝土裂縫的圖形的仿真研究。對混凝土的裂縫進行圖形化、參數化、模型化，運用隨機處理技術可以形象逼真地仿真裂縫。

美國康奈爾大學研究了用離散單元法模擬巖石邊坡的漸進過程。日本東京大學的學者用離散單元法對鋼筋混凝土框架結構在遭遇強烈地震作用時的倒塌過程進行計算機仿真分析的研究。研究表明用離散元這種不連續體的數值模型可以仿真節理系統、塊體系統、顆粒系統在平衡條件下的變形過程進行邊坡滑動、地下洞室的坍塌、房屋結構的倒塌等仿真分析，結合圖形技術可進行圖形仿真。研究表明計算機仿真在結構工程中有著很好的應用前景。建立水利工程仿真系統是向水利現代化方向發展的一個重大突破。

仿真系統在水利工程中應用

水利水電工程建設是控制國民經濟命脈的基礎性設施建設。近些年來隨著二灘、小浪底、三峽、“南水北調”等大型水利水電工程相繼興建并投入運行，我國在水利水電建設方面取得了新的進展，積累了豐富的設計和施工經驗，但同時依然存在一些技術難題，如研究和改進特大地下洞室群高混凝土壩、高土石壩的施工組織設計與管理、提高質量、節省投資、縮短工期等都是富有挑戰性的難題。不少在建和待建的水利水電樞紐工程規模巨大，工程具體施工中因素千變萬化，隨著計算機技術的發展，可以借助計算機仿真技術分析進度變化帶來的影響并進行實時動態調整，為水利水電工程建設提供了一個新的分析平臺。

1 仿真系統在混凝土澆筑溫度控制中的應用

用計算機仿真大壩的應力場、溫度場,研究混凝土澆筑施工方案,在我國水利行業已悄然興起。由于混凝土壩是逐層澆筑的,施工過程對壩體溫度場和應力場有重要影響。采用固定增量時間推進法模擬大壩施工過程應力場、溫度場隨時間的變化,對不同澆筑方案進行仿真試驗,得到壩體溫度場、應力、位移在施工、運行期的分布,從而確定出一個最優施工設計方案。

2 利用有限元仿真分析軟件對溫度場和應力分布進行仿真分析

研究澆筑方案、施工順序和通水冷卻方式對溫度、應力的影響。ANSYS軟件有較強的流固耦合分析能力,能模擬混凝土溫度與水溫的相互影響。力求運用更合理、更精確的分析方法。在分析冷卻水管通水冷卻效果時,采用熱流管單元,模擬冷卻水在流動過程中與其周圍混凝土的換熱,以揭示通水冷卻的機理。用固定增量時間推進法模擬泄洪壩段導流底孔封堵過程的應力場、溫度場隨時間的變化。

3 仿真系統在地下工程施工中的應用

地下工程施工過程仿真的基本思路是：首先明確施工過程中有哪些活動以及各活動之間的邏輯關系，活動需要哪些初始資源及數目；然后由模型的組成部分按照節點間的邏輯關系建立起循環運行的網絡模型。以隧洞工程施工為例，利用該模型進行隧洞施工過程仿真，可得出施工工期、機械設備生產率、資源閑置等待時間、資源利用率、施工費用及找出擁塞點等，從而為決策提出所需的多種信息。基于地下廠房系統施工問題，提出了復雜地下廠房施工系統可視化仿真理論方法，并研制開發了相應的計算機軟件ESAS。通過地下洞室群施工全過程動態仿真，可以對施工過程進行定量計算與分析，進行多方案的比較和優化，直到得出滿意方案。

采用計算機仿真技術，通過模擬工程對象的循環過程和隨機時間，可算出不同資源水平和施工組織情況下循環過程的工期和成本，并找出擁塞點，通過靈敏度分析可以得到合理的機械配套組合及理想的工期成本最優方案。

4 仿真系統在導截流和圍堰工程施工中的應用

與傳統方法相比，借助計算機仿真方法可以更方便、更細致、定量程度更高地研究導截流中存在的問題。以更高的效率，分析論證更多的導截流施工方案，更有效地指揮現場施工，從而降低了施工成本和風險，提高了截流的成功率和導流方案的合理性。截流方法中最常用的是平堵和立堵兩種方法。這兩種方法，尤其是立堵法的施工過程計算機仿真在料場規劃與調度、交通運輸組織方面與土石壩施工十分相似。與土石壩不同的是戧堤填筑。以立堵法為例，工程量更加集中，施工強度更大，對機械設備配置的要求更高，施工組織更加嚴格，而且戧堤基本上是水下施工，截流過程中的填筑方量和拋投材料的粒徑受流速變化的制約，一方面填筑方量受截流流量的影響；另一方面，需隨著龍口寬度的變化進行所謂的“流速分區”，因此截流施工的計算機仿真較多的依賴于截流水利計算與河道水文、地形、地質條件，模擬截流施工的進程，預測截流水力學參數的變化，確定各分區拋投材料的類型、尺寸和數量，能夠為決策機構提供及時、可靠的依據。

結構工程計算機仿真目前存在的問題

從上面的分析可以看出,計算機仿真研究的主要內容是結構模型和分析方法的建立和仿真系統的開發。仿真系統的開發屬于計算機技術的應用,可以采用、借鑒計算機相關領域的技術。結構工程研究人員研究的關鍵是結構和構件的模型和分析方法的建立。

結構和構件的建模應具有相似性、簡單性、多面性、有效性的仿真建模的基本特點，應使最終的結構模型達到仿真建模的最高級別:結構有效,即通過建立的模型不但能重復實際結構的反應,且能反映實際結構產生這些反應的運動過程。混凝土材料的本構關系在結構工程仿真中起著“核心”的作用，但由于混凝土材料具有復雜的性質,直至現在還未能提出一個能描述所有條件下混凝土特性的合適的本構關系。而現有的各種本構關系都有其適用范圍,因此應基于仿真的目的和要求,根據一定的標準來確定能反應材料內在機理的本構關系。結構工程常用的混凝土本構關系就有多種,如線彈性本構關系、非線彈性本構關系、彈塑性本構關系、粘彈性本構關系、內時理論本構關系、斷裂力學本構關系、損傷力學本構關系等。涉及到材料的本構關系,必然需要確定材料的破壞準則,而破壞準則又有很多種,單剪應力系列、八面體剪應力系列、雙剪應力系列,三大類破壞準則每一種都包含至少四種準則,每一種準則都有一定的適用范圍。而且有的本構關系和破壞準則是根據試驗數據擬合得到的,而不是基于理論推導得到的,其雖可應用,但不能揭示材料的內在機理,如全應力-應變關系的某些模型可能違反熱力學定律,在物理上不可接受。

20世紀90年代發展起來的統一強度理論及其本構關系具有一個統一的力學模型和統一的數學表達式,從金屬到巖土類材料都有成功的應用,也被應用于高速彈體侵徹混凝土的仿真中，但對于復雜的結構體系的應用還需要進一步的研究。對于簡單結構如鋼筋混凝土梁的仿真,可以按面向對象的概念建立混凝土中的本構關系類,根據仿真的要求重載每一種本構關系來求得各種結果,進行選擇優化。

結語

水利工程仿真系統在水利工程設計與施工中有著廣泛的應用前景。將施工過程的應力仿真和施工措施仿真相結合同時輔以三維動態顯示技術將成為現實, 從結構應力和溫度應力分析的角度出發，大壩施工過程應力場、溫度場計算機仿真研究也悄然興起，并在一些工程的設計階段得到應用，效果很好，將施工過程的應力仿真和施工措施仿真相結合同時輔以三維動態顯示技術的日子即將來臨，這必然為計算機仿真技術在水電工程水工中的應用開辟了更廣闊的空間。

來源：水利家園