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将水工建筑物的具有某一内在联系的部分建立数学模型来研究其真实性态的方法。水工建筑物数值仿真分析也称水工结构数值仿真分析或水工结构计算机仿真分析。 水工结构仿真的目的是通过模型仿真，对结构物的安全性作出综合评价。水工结构仿真分为物理仿真和计算机数值仿真，前者的系统模型是一个反映真实结构主要特征的缩尺模型，通过实验手段研究真实系统；后者是按照真实结构的实际尺寸建立的数值模型，通过计算机分析研究真实系统。早期水工结构仿真多采用物理仿真，物理仿真模型参见水工结构模型试验。随着计算机技术的发展，数值仿真发展很快。 计算机仿真的特点 计算机仿真具有许多优点：同一个模型可以受多种荷载作用，还可以对系统的静态、动态特性仿真，可以随时输出结构任何部位的物理量，在模型改动不大的情况下，可进行各种方案比较，其内容丰富，成果周期短，价格低廉，可视化程度高，并可形象逼真地多角度输出。但数值仿真也存在一些不足，例如对复杂材料（如加筋）的本构关系了解尚不完善，对结构开裂问题的分析也不可靠等。 计算机仿真包括3个基本要素（见图）：①仿真系统：建立仿真分析系统，物理性质模型。②计算模型：按照算法确定水工结构计算模型和计算流程。③计算机：分析、调整与输出。
计算机数值仿真流程示意图
仿真方法 仿真分析是要依据实际的物理系统的空间特性，求解和输出满足基本方程和边界条件的物理量。描述这类问题的偏微分方程组很少能用解析法求解，不得不借助于数值计算方法，用离散模型来代替连续模型。适用于偏微分方程的可供利用的求解方法常常是有限差分法和有限单元法。有限差分法直接求解基本方程的边值问题，把定解问题转化为代数方程组，然后利用计算机求解。有限单元法在理论上先将基本方程中的部分方程用弱积分形式代替，再在满足位移边界的条件下，寻求弱积分方程的数值解。 水工结构仿真的参变量较多，有施工步、时间步、载荷步等等，它们往往是交织的，例如每一施工步内又有若干个载荷步。水工结构问题往往是非线性问题，在每一载荷步中又包含了许多迭代步。因此水工结构的仿真一直是非常复杂的问题。 仿真基本工作是建模、二次建模和仿真实验。在仿真过程中进行下一段仿真时，如果系统发生了改变，则对于改变的系统进行修正；如果模型发生了改变，则对改变的模型进行修正，再进行仿真分析。比如土坝仿真，先是修筑过程仿真，再进行蓄水过程仿真，最后进行运行过程的水位改变仿真。修筑过程中，有限元网格的改变导致每次都要进行二次建模；蓄水过程与修筑过程在系统上发生了改变，就必须修改系统，在前一过程的物理量基础上进行渗流分析，确定渗流场的自由液面。又比如深层抗滑稳定仿真，先建立大坝渗流系统，确定基岩渗流场后，再在大坝蓄水、软弱结构面和建基面受扬压力作用下，对基岩内软弱结构面和拉裂面形成的滑移体作仿真。这些仿真过程都是一个系统建立在另一个系统之上。事实上，几个系统往往是耦合的，渗流过程影响土体受力，土体的孔隙率改变又影响渗流。 仿真发展方向 水工结构仿真还处在初步发展阶段，需要进行大量的研究、开发工作。①改进计算机成果输出。运用高性能计算机和新的软件平台，全面展现仿真过程。②加强过程仿真。施工过程、运行过程的全面仿真不同于简单的有限元分析，要求建立复杂的有限元分析网格，过程分析伴随着二次建模，大量的信息需要处理，系统改变和耦合使仿真过程非常复杂。③提出更为有效的仿真方法。创新仿真软件，如采用并行算法或与其他分析方法结合以提高仿真效率和正确性。④改进本构关系。
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