现有水窖由于缺少结构计算,形状、几何尺寸和材料选择均依靠建设者的经验确定,致使窖体受力分析不足或结构不合理等因素,导致应力集中而发生破坏。针对该问题,本文利用基于ANSYS平台的有限元法,对ANSYS软件进行了二次开发,完成了常用水窖的结构分析软件,以圆柱形和球形水窖作为特例进行了空间结构分析,计算了水窖的应力分布规律,并以水窖耗材量最小为目标函数,以许用应力为约束条件,优化出不同容水量的水窖几何尺寸,为水窖建设者提供技术支撑,为新型水窖的开发提供理论依据。通过三年的研究取得了如下研究成果:(1)开发了常用水窖结构有限元计算模型。针对水窖结构形式利用空间块体问题的有限元法和轴对称问题的有限元法来建立水窖结构有限元计算模型,同时借助有限元分析软件ANSYS,利用其内置参数化设计语言APDL建立水窖结构有限元分析计算程序,并在此基础上利用交互式界面设计语言UIDL,将APDL建立的计算程序制作成菜单和功能对话框,添加到的ANSYS界面中去,一方面可减少工作量,提高工作效率,另一方面可为ANSYS非专业人员提供水窖结构有限元分析平台。(2)针对混凝土薄壳球形水窖进行了应力分析与结构优化。得出容积30 m3、窖壁厚度11 cm的球形水窖,在满窖工况下,水窖整体以拉应力为主,内侧略大于外侧,随蓄水深度的增加而增大,最大拉应力350.05 kPa,位于圈梁下缘外侧,最大压应力436.28 kPa,位于圈梁上缘外侧;在空窖工况下,水窖整体以压应力为主,外侧略大于内侧,随埋土深度的增加而增大,最大拉应力478.41 kPa,位于拱顶内侧,最大压应力2 632 kPa,位于拱顶外侧。可见空窖为球形水窖的不利工况,在此工况下以节约材料用量为目的,在满足水窖强度和刚度的条件下,以水窖耗材量最小为目标函数,以许用应力为约束条件,对窖壁厚度进行优化,计算得出容积10,20,30和40 m3的最小窖壁厚度0.072,0.079,0.081和0.084 m。(3)针对混凝土薄壳圆柱形水窖进行了应力分析与结构优化。得出容积30 m3、窖壁厚度11 cm、半径1.53 m和窖身高度3.06 m的圆柱形水窖,在满窖工况下,水窖整体以拉应力为主,内侧略大于外侧,随蓄水深度的增加而增大,最大拉应力511.45 kPa,位于窖身下部,最大压应力470.99 kPa,位于窖身与窖底原角结合处外侧;在空窖工况下,水窖整体以压应力为主,外侧略大于内侧,随埋土深度的增加而增大,最大拉应力822.31 kPa,位于窖身与窖底圆角结合处内侧,最大压应力1 058 kPa,位于窖身与窖底圆角结合处外侧。可见空窖为水窖的不利工况,在此工况下以节约材料用量为目的,在满足水窖强度和刚度的条件下,以水窖耗材量最小为目标函数,以许用应力为约束条件,以对窖壁厚度进行优化,计算得出容积10,20,30,40,50和60 m3,当水窖半径与窖身高度之比为1:2时,最小窖壁厚度为0.051,0.076,0.098,0.118,0.140和0.156 m;当水窖半径与窖身高度之比为1:3时,最小窖壁厚度为0.054,0.083,0.112,0.135,0.166和0.177 m。