基于CATIA的拱壩三維協(xié)同設(shè)計

黃志澎，楊 敬，趙永剛，胡云明

(1.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

1 前 言

我院自引進(jìn)了MatrixOne和CATIA/VPM(Virtual Product Management)，通過同時使用這兩個系統(tǒng)，部署了統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計環(huán)境。水電設(shè)計業(yè)務(wù)流程可以在這個無縫的協(xié)同環(huán)境中實現(xiàn)，將復(fù)雜的工程設(shè)計活動和業(yè)務(wù)流程管理連接起來，提高設(shè)計質(zhì)量和效率。

DS(Dassault Systemes)公司正全面利用ENOVIA開放式SOA架構(gòu)實現(xiàn)對任何業(yè)務(wù)流程和軟件的無縫集成，這將給不同行業(yè)中的客戶都帶來無可比擬的益處。

DS公司在收購MatrixOne之后，開發(fā)出了全球性的ENOVIA解決方案。該解決方案將CATIA/ENOVIA VPM的具體產(chǎn)品設(shè)計信息和MatrixOne強(qiáng)大的協(xié)同業(yè)務(wù)流程管理能力和企業(yè)可見性相結(jié)合。通過這個新的解決方案將設(shè)計部門和管理部門無縫地集成在一起。

得益于ENOVIA靈活的SOA架構(gòu)，DS公司的CATIA/ENOVIA VPM客戶將通過MatrixOne解決方案實現(xiàn)對強(qiáng)大的協(xié)同業(yè)務(wù)流程能力的全面兼容。從MatrixOne到ENOVIA VPM工程的現(xiàn)行工作環(huán)境的直接存取將會給項目經(jīng)理提供工程活動和項目情況的實時可見性，使得他們能夠在產(chǎn)品開發(fā)流程的早期就發(fā)現(xiàn)潛在的問題，從而降低改進(jìn)決策的時間和成本，客戶也因此從這個全新的ENOVIA解決方案中獲益。借助于ENOVIA MatrixOne，DS公司傳遞了一種完全的、統(tǒng)一的ENOVIA協(xié)同環(huán)境。

采用3D PLM設(shè)計與生產(chǎn)產(chǎn)品早已不是一種單純的概念，而是企業(yè)發(fā)展的必然趨勢，連不可一世的AutoCAD也從2007版本開始大幅度地增強(qiáng)了3D功能，將它過去的2D繪圖環(huán)境定義成“經(jīng)典工作空間”，將“三維設(shè)計空間”放在了第一位。由于無圖紙設(shè)計與生產(chǎn)方式給企業(yè)帶來的將是革命性的變化，隨著市場競爭的需要，近幾年采用CATIA、UG等這類軟件的用戶群也在進(jìn)一步擴(kuò)大。

拱壩三維協(xié)同設(shè)計過程是通過MaxtriOne平臺實現(xiàn)設(shè)計流程管理和質(zhì)量關(guān)口控制，在CATIA/VPM平臺實現(xiàn)拱壩結(jié)構(gòu)的在線并行協(xié)同設(shè)計。在充分掌握和分析壩址地形、地質(zhì)等基本設(shè)計資料基礎(chǔ)上，并經(jīng)論證、核實后合理確定各項設(shè)計參數(shù)，直接在三維地質(zhì)模型上進(jìn)行多人并行的三維設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析。同時開展相關(guān)的研究工作和模型試驗工作，充分采用已有的先進(jìn)科研成果，借鑒國內(nèi)外其它拱壩的成功設(shè)計經(jīng)驗，對拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的分析研究，直接通過三維模型來表達(dá)最終的拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。通過三維拱壩協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)分析計算模型、工程圖與三維幾何模型保持關(guān)聯(lián)更新能力，大大提高了設(shè)計質(zhì)量和效率。

2 協(xié)同設(shè)計概述

VPM系統(tǒng)是為實施基于CATIA的在線設(shè)計而搭建的協(xié)同設(shè)計平臺，系統(tǒng)通過對統(tǒng)一存放在服務(wù)器的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的管理，進(jìn)行設(shè)計任務(wù)分解與分配、設(shè)計數(shù)據(jù)的動態(tài)協(xié)同和歸檔。

在沒有VPM協(xié)同的情況下，設(shè)計人員通過單向、靜態(tài)的反復(fù)溝通達(dá)到協(xié)同的目的，這中間，沒有共享、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，溝通的過程信息有所損失，溝通是單向的，同一個信息可能要反復(fù)傳遞，造成效率降低和數(shù)據(jù)管理無序。

在有VPM協(xié)同的情況下，設(shè)計人員通過集中的、實時動態(tài)的數(shù)據(jù)管理平臺達(dá)到協(xié)同設(shè)計的目的，實現(xiàn)信息的集中管理、集中發(fā)送，達(dá)到完全共享的目的，帶來設(shè)計動態(tài)溝通效率的提高，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理、有序共享。

目前我院VPM和MatrixOne擁有各自獨立的數(shù)據(jù)庫(見圖1)，采用MatrixOne作為項目管理平臺、VPM作為三維協(xié)同設(shè)計平臺。專業(yè)處室在MatrixOne中進(jìn)行拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)分解、指派計劃，同時在VPM中建立拱壩結(jié)構(gòu)模型節(jié)點，并分配設(shè)計人員。目前我院還沒建立MatrixOne的任務(wù)節(jié)點與VPM的模型節(jié)點的對應(yīng)關(guān)系，未來的目標(biāo)是通過ENOVIA VPM與MatrixOne軟件的集成化開發(fā)，實現(xiàn)MatrixOne的計劃任務(wù)與VPM模型節(jié)點的關(guān)聯(lián)。

圖1 VPM協(xié)同平臺的C/S模型

拱壩協(xié)同設(shè)計流程是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析、管理的虛擬設(shè)計過程，專業(yè)負(fù)責(zé)人可以從更高的高度來管理設(shè)計流程，即使這么做的利益不會馬上顯現(xiàn)。設(shè)計人員可以重用現(xiàn)有的模板、標(biāo)準(zhǔn)件庫，或者構(gòu)思重復(fù)利用的設(shè)計流程。 鼓勵使用可替代的技術(shù)和方法(例如模板、標(biāo)準(zhǔn)件、工程結(jié)構(gòu)組件)，通過主骨架模型來驅(qū)動孔口、廊道、電梯井等結(jié)構(gòu)模型，而非從頭到尾逐個建立三維模型及繪制圖紙。當(dāng)新的方案修改了，只需更新或重用現(xiàn)有的模板。這種重用機(jī)制的應(yīng)用允許企業(yè)僅通過調(diào)整總體骨架、重用模板等技術(shù)，而非被迫進(jìn)行大規(guī)模新建三維模型，能在更短的時間內(nèi)對變化的設(shè)計方案、復(fù)雜的工地現(xiàn)場條件作出快速響應(yīng)。

協(xié)同設(shè)計不僅僅是一種三維設(shè)計的方法論,還包含協(xié)同管理理念。例如，應(yīng)用VPM協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)后，管理者可以方便地管理各個工程項目的設(shè)計進(jìn)度，并在深度和廣度上進(jìn)行延伸。其原理是，通過分析上下游專業(yè)之間、專業(yè)內(nèi)部工程結(jié)構(gòu)之間的相互引用，使項目管理人員方便地了解什么時候、什么原因、哪些設(shè)計工作完成或正在進(jìn)行、設(shè)計流程瓶頸出現(xiàn)在哪個環(huán)節(jié)等的數(shù)據(jù)信息，這樣就幫助了項目管理人員或?qū)I(yè)室主任監(jiān)控、優(yōu)化他們的設(shè)計流程，降低了決策時間和成本。

在線協(xié)同設(shè)計的一個中心思想就是使企業(yè)應(yīng)用擺脫專業(yè)間面向事后溝通協(xié)調(diào)的解決方案的束縛，輕松應(yīng)對設(shè)計資料輸入變化、跟進(jìn)施工現(xiàn)場的需要，提前對設(shè)計方案的可行性評估。單個孤立的專業(yè)模型是無法反映上下游專業(yè)間的數(shù)據(jù)輸入輸出及相互影響關(guān)系，即使是一個大型的工程模型，仍然不能滿足設(shè)計過程中的施工現(xiàn)場和設(shè)計方案不斷修改、變化的缺口。

通過三維協(xié)同，可以使得整個項目設(shè)計過程在3D狀態(tài)下，對項目各單元工程數(shù)據(jù)可視化管理，與業(yè)主、施工單位、專業(yè)間進(jìn)行更方便高效的溝通。

通過VPM系統(tǒng)的完整變化的設(shè)計上下文環(huán)境，實現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計管理，能夠支持參考已有的設(shè)計數(shù)據(jù)及設(shè)計知識模板重用，提升CATIA應(yīng)用性能，數(shù)據(jù)共享更安全。VPM系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計具有實時協(xié)同、在線設(shè)計的特點，可以提高協(xié)同工作的效率，很好地保證數(shù)據(jù)單源性和實時更新，縮短拱壩設(shè)計周期。

3 專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計

通過三維協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)動態(tài)實時在線設(shè)計，對設(shè)計成果集中管理，可以避免專業(yè)之間、專業(yè)內(nèi)部的設(shè)計盲區(qū)，降低出錯概率；通過參數(shù)化和關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)快速建模，提高三維設(shè)計效率。

VPM虛擬產(chǎn)品管理解決方案，可以幫助企業(yè)建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)的協(xié)同設(shè)計管理平臺，對CATIA模型數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次、特征級的數(shù)據(jù)挖掘。正是由于VPM能夠基于3D數(shù)字電站協(xié)同的充分“理解”，為工程師高效管理三維模型數(shù)據(jù)提供了有力的幫助。

VPM系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計具有實時協(xié)同、在線設(shè)計的特點，可以提高協(xié)同工作的效率，很好地保證數(shù)據(jù)單源性并實時更新，縮短設(shè)計周期。采用自上而下的模型結(jié)構(gòu)組織方式，層次明確，比較適合復(fù)雜拱壩結(jié)構(gòu)的設(shè)計任務(wù)逐級分解，實現(xiàn)跨專業(yè)、專業(yè)內(nèi)的協(xié)同工作。

與地質(zhì)專業(yè)協(xié)同，主要涉及到拱壩建基面開挖、基礎(chǔ)處理、邊坡支護(hù)等。地質(zhì)模型的建立過程可以用“盲人摸象”和“雕刻藝術(shù)品”的迭代過程來比喻。把前期獲得各種片斷的地質(zhì)信息放在三維模型里面反演、推測，通過綜合比較這些地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，去偽存真，匯總成一個整體的地質(zhì)模型。然后根據(jù)施工進(jìn)展所揭示的新的地質(zhì)信息，補(bǔ)充新的勘探資料，再修正、更新地質(zhì)模型，使地質(zhì)模型不斷逼近和反映真實地質(zhì)情況。在傳統(tǒng)的二維圖設(shè)計模式下，各種地質(zhì)資料變更信息比較多，難于管理及分類，以及無法量化、形象、及時地判斷地質(zhì)變化對水工結(jié)構(gòu)設(shè)計影響程度和范圍。

在三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境下，水工設(shè)計人員可以從整體上把握工程的地質(zhì)情況，根據(jù)需要剖切生成二維圖，并能實時了解地質(zhì)信息變化。而無需查閱各種地質(zhì)二維圖紙和地質(zhì)勘探資料，通過想象力形成空間三維的地質(zhì)認(rèn)識。

例如在錦屏一級拱壩的建基面開挖中(見圖2、3)，地質(zhì)專業(yè)人員根據(jù)新的揭露的地質(zhì)信息，調(diào)整斷層巖脈位置后，系統(tǒng)會自動只通知引用關(guān)聯(lián)該斷層的建基面、混凝土網(wǎng)格置換結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新。斷層位置在建基面上變化，是否需要調(diào)整混凝土網(wǎng)格置換設(shè)計方案，一目了然。還可以對地質(zhì)信息變更后的建基面巖體質(zhì)量重新評估、統(tǒng)計比較開挖方量，確定是否需要調(diào)整基礎(chǔ)處理設(shè)計方案等。在VPM上可以保留不同設(shè)計階段的地質(zhì)模型及其對應(yīng)的基礎(chǔ)處理措施設(shè)計成果，方便追溯以往的設(shè)計成果，如作為后期整理和積累工程設(shè)計經(jīng)驗的素材。

與機(jī)電專業(yè)協(xié)同，主要有拱壩的孔口群閘門啟閉設(shè)備、廊道內(nèi)部的監(jiān)測設(shè)備、管線、壩頂門機(jī)等設(shè)備布置等。由于這些機(jī)電設(shè)備依附于拱壩結(jié)構(gòu)，由拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在完成這些結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，按照機(jī)電專業(yè)的要求，將結(jié)構(gòu)控制元素先發(fā)布出來并通知機(jī)電專業(yè)，然后由機(jī)電專業(yè)引用所發(fā)布的控制元素進(jìn)行機(jī)電設(shè)備的布置。這樣拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)電設(shè)備布置可以并行進(jìn)行，互不干擾。同時機(jī)電設(shè)備通過引用拱壩專業(yè)已經(jīng)發(fā)布的控制元素，保持上下文關(guān)聯(lián)，無需因為結(jié)構(gòu)位置的變化而重新布置機(jī)電設(shè)備。當(dāng)機(jī)電設(shè)備在拱壩結(jié)構(gòu)內(nèi)無法布置或互相交叉干涉時，通過三維會簽方式，直接修改拱壩細(xì)部結(jié)構(gòu)，再由機(jī)電專業(yè)人員重新布置設(shè)備，不斷調(diào)整，提高了專業(yè)間的溝通和設(shè)計效率。

圖2 拱壩建基面開挖(與地質(zhì)專業(yè)協(xié)同)

圖3 建基面開挖及基礎(chǔ)處理(與地質(zhì)專業(yè)協(xié)同)

圖4是在三維協(xié)同設(shè)計過程中，拱壩設(shè)計人員將下游閘墩弧形閘門的支鉸點控制點元素發(fā)布出來，機(jī)電專業(yè)人員在VPM環(huán)境中，根據(jù)所發(fā)布的支鉸點元素直接定位、安裝弧形閘門。如果弧形閘門無法在虛擬閘墩上布置，可以通過調(diào)整閘門尺寸，或調(diào)整閘門的支鉸位置來實現(xiàn)。通過這種虛擬現(xiàn)實設(shè)計方式可以實現(xiàn)無紙化、實時設(shè)計，可以大大避免在施工現(xiàn)場發(fā)生的安裝調(diào)試的各種問題。

圖4 出口閘墩布置弧形閘門(與機(jī)電專業(yè)協(xié)同)

4 拱壩結(jié)構(gòu)的骨架驅(qū)動、參數(shù)化設(shè)計

通常我們用裝配樹表達(dá)拱壩的層次化結(jié)構(gòu)。在分析拱壩結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上, 研究壩體、孔口、廊道、電梯井、基礎(chǔ)處理的關(guān)聯(lián)性設(shè)計方法, 采用了在VPM在線協(xié)同設(shè)計環(huán)境下直接進(jìn)行拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法, 通過控制骨架的方式實現(xiàn)拱壩層次化結(jié)構(gòu)，管理各個單元結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性、建立各層模型的裝配關(guān)系。在專業(yè)內(nèi)，各個拱壩結(jié)構(gòu)節(jié)點由多人在線并行設(shè)計，結(jié)合具體的零件特征建模方法，實現(xiàn)整個拱壩結(jié)構(gòu)的全相關(guān)驅(qū)動(見圖5)。

圖5 骨架驅(qū)動的模型節(jié)點

在可研設(shè)計階段就采用自頂向下設(shè)計方法,建立拱壩整體骨架模型和控制參數(shù)，逐層分解細(xì)化。經(jīng)過可研、招標(biāo)、技施的不同設(shè)計階段的迭代設(shè)計過程, 得到最終拱壩結(jié)構(gòu)的三維模型。在可研設(shè)計階段，很多設(shè)計方案不確定，其幾何模型也不確定, 隨著設(shè)計的深入、結(jié)構(gòu)的細(xì)化, 逐步建立起清晰的拱壩結(jié)構(gòu)裝配模型和零件幾何模型。 因為在設(shè)計初期就詳細(xì)考慮了拱壩的層次化結(jié)構(gòu)、整體控制骨架布置和主要設(shè)計參數(shù), 并通過發(fā)布/引用機(jī)制管理各個結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性，所以很少出現(xiàn)反復(fù)修改裝配結(jié)構(gòu)的情況。 這樣以后整個拱壩結(jié)構(gòu)模型的更新只由控制結(jié)構(gòu)或關(guān)鍵設(shè)計變量來控制, 大大提高了拱壩的快速設(shè)計效率。

以拱壩設(shè)計流程為對象，研究主骨架模型技術(shù)和內(nèi)涵，采用參數(shù)化、設(shè)計工程、模板標(biāo)準(zhǔn)件庫實現(xiàn)快速建模。通過主骨架模型將各工程結(jié)構(gòu)，如孔口、廊道、電梯井、壩后橋、壩頂結(jié)構(gòu)、閘門、基礎(chǔ)處理等關(guān)聯(lián)起來，目的就是要實現(xiàn)自動更新零件或部件, 以保證設(shè)計結(jié)果的一致性。 實現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計的關(guān)鍵就是要解決相關(guān)約束在零件間、部件間以及零件與部件間的傳播與求解,使整個拱壩各個結(jié)構(gòu)只被少量的幾何框架或設(shè)計參數(shù)控制，從而極大地提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期(見圖6)。

在構(gòu)建水工標(biāo)準(zhǔn)件模板UDF的時候，可以應(yīng)用CATIA 知識工程建模技術(shù)，如Parametric Curve(參數(shù)曲線)、Design Table(設(shè)計表)、Rule(規(guī)則)、Check(檢查)、Reactions 等，使結(jié)構(gòu)相似的拱壩結(jié)構(gòu)統(tǒng)一表達(dá)為一個CATPart 文件。當(dāng)設(shè)計者在調(diào)用模板的時候，只需修改模板設(shè)計參數(shù)即可實現(xiàn)快速建模。通過已有的拋物線拱圈模板，快速建立溪洛渡、錦屏一級、大崗山等拱壩模型，并調(diào)整拱圈參數(shù)實現(xiàn)拱壩體形優(yōu)化。在實際設(shè)計工作中，可以迅速適應(yīng)設(shè)計方案發(fā)生變更，無需重復(fù)建模，提高設(shè)計效率。

圖6 采用骨架驅(qū)動、模板參數(shù)化的拱壩模型

5 二維出圖

在水電設(shè)計行業(yè)，二維圖被作為最終設(shè)計方案成果表達(dá)。為了減少手工修改二維圖的繁瑣工作，盡量保持二維圖與三維模型的關(guān)聯(lián)性，可以極大地提高效率。對于結(jié)構(gòu)規(guī)則、可復(fù)用程度高、結(jié)構(gòu)簡單的結(jié)構(gòu)圖可以采用文檔模板出圖，如廊道典型斷面結(jié)構(gòu)圖及鋼筋圖、壩體澆筑塊結(jié)構(gòu)圖、基礎(chǔ)處理的洞室斷面及洞內(nèi)圍巖支護(hù)圖。但拱壩大部分結(jié)構(gòu)屬于非標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以直接通過投影、剖切等方式生成二維圖，與三維模型保持關(guān)聯(lián)。由于經(jīng)過校審后的設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)尺寸基本已經(jīng)確定，最后完成的二維圖的元素與三維模型可保留關(guān)聯(lián)或打斷關(guān)聯(lián)關(guān)系，作為最后藍(lán)圖存檔。

6 拱壩結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析一體化

傳統(tǒng)的三維設(shè)計過程中，分析的主要任務(wù)是設(shè)計的后驗校核和事故分析。目前CAE工具存在多個系統(tǒng)并存的局面，使用不方便，而且培訓(xùn)成本比較高。同時將幾何模型轉(zhuǎn)成分析模型，參數(shù)化信息丟失，不能與原來的CAD模型保持關(guān)聯(lián)，當(dāng)幾何模型的結(jié)構(gòu)和尺寸發(fā)生變化，只能重新建立分析模型，導(dǎo)致分析品質(zhì)和效率的低下。

20世紀(jì)90年代前大部分CAD模型都是非參數(shù)化的，90年代開始以參數(shù)化為主，到2000年之后，發(fā)展到知識工程化。從本世紀(jì)初開始，以CATIA V5為代表的CAD軟件商強(qiáng)調(diào)設(shè)計的智能化，所有的數(shù)據(jù)都是參數(shù)化的，如各種設(shè)計方案可以通過EXCEL表格來驅(qū)動，用戶可以自己定義特征、規(guī)則等。在這種情況下，在PLM中集成CAE功能就非常重要了。與之相對應(yīng)的，CAE的發(fā)展軌跡，從FEM到計算力學(xué)，再到CAE，參數(shù)化CAE已成為主流，通過設(shè)計數(shù)據(jù)參數(shù)化，容易進(jìn)行形狀優(yōu)化。此時的主流CAE開始講究與CAD系統(tǒng)界面的融合,使設(shè)計方案能夠得到快速檢驗。理想的情況下，設(shè)計和分析在同一環(huán)境下，也就是在PLM集成平臺，就可以實現(xiàn)設(shè)計-分析的快速循環(huán)，使得傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)變成短過程的開發(fā)過程，即設(shè)計-分析的循環(huán)型產(chǎn)品開發(fā)過程，也就是基于CAE或基于分析的設(shè)計。

未來CAE的發(fā)展，是要達(dá)到設(shè)計仿真一體化、分析模擬的數(shù)據(jù)和流程的統(tǒng)一管理、多學(xué)科仿真及混合有限元分析等。無論怎樣，設(shè)計、仿真一體化都是大勢所趨，未來CAE要更多為設(shè)計服務(wù)，為水工結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新提供更好的支撐。

CATIA分析與仿真解決方案為我們提供了高度自動化、透明的分析解決方案。CATIA能夠自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分和初步的有限元分析，同時與原三維模型保持關(guān)聯(lián)。當(dāng)三維模型結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有限元模型也跟隨更新，無需重新建立模型，大大縮短了建模時間和提高了分析效率。設(shè)計人員可以隨時修改三維模型，分析人員可以利用已有的三維模型，進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移等計算分析。

利用CATIA自帶的網(wǎng)格剖分工具生成的網(wǎng)格，提取節(jié)點、單元信息，按照ANSYS的格式編寫輸入文件，然后在ANSYS讀入節(jié)點單元信息，再賦值材料信息、荷載、邊界約束，進(jìn)行有限元分析。

以錦屏廊道配筋計算為例，在對廊道進(jìn)行有限元計算時，首先進(jìn)行包括基礎(chǔ)的拱壩空間三維整體有限元靜力分析，將各個檢查廊道、監(jiān)測廊道等細(xì)部結(jié)構(gòu)模擬到壩體上，并取隔離體，重新加密單元網(wǎng)格，指定與整體模型同樣的分析類型和分析選項，并將整體模型上子模型對應(yīng)邊界插值位移載荷數(shù)據(jù)文件讀入模型中，施加水壓、沙壓、溫度場、重力，然后求解分析子模型,并得出相應(yīng)結(jié)果，并得出廊道周圍的應(yīng)力分布情況(見圖7～8)。

有限元配筋方法：根據(jù)有限元計算成果，將應(yīng)力成果插值到相應(yīng)的計算剖面特征方向線上，繪制該特征方向線的應(yīng)力圖形，再根據(jù)應(yīng)力圖形面積，確定所需的鋼筋量(見圖9～10)。

圖7 錦屏一級廊道子模型及各個廊道相對位置

圖8 錦屏一級某廊道斷面的S1應(yīng)力等值線

圖9 錦屏一級某廊道斷面廊壁附近的主應(yīng)力

以錦屏邊坡穩(wěn)定分析為例，通過以下步驟完成邊坡塊體的剛體極限平衡法的分析：

(1)在VPM協(xié)同設(shè)計環(huán)境下，在滿足計算精度的前提下，對地質(zhì)專業(yè)的地形、地質(zhì)模型進(jìn)行簡化、輕量化處理(見圖11)。

(2)在CATIA 完成拱壩建基面、纜機(jī)平臺、墊座邊坡的三維開挖(見圖12)。

(3)為了簡化計算，將巖層面和裂隙面等結(jié)構(gòu)面假設(shè)為平面，用參數(shù)控制結(jié)構(gòu)面的位置、走向、傾向，切割生成可能存在的塊體(見圖13)。

(4)利用CATIA 軟件的測量功能獲取各個結(jié)構(gòu)面的面積、形心位置及滑塊的體積，將這些幾何信息和結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)換算為揚壓力、滑動力、壓力、重力及其方向，按照穩(wěn)定計算程序輸入格式編寫，然后用穩(wěn)定計算程序計算滑塊的抗滑安全系數(shù)。

(5)按照一定步長調(diào)整各結(jié)構(gòu)面位置、走向、傾向參數(shù)，計算出新的安全系數(shù)，求得邊坡最小抗滑安全系數(shù)。

圖10 錦屏一級某廊道斷面的各種應(yīng)力

圖11 錦屏一級左岸地形地質(zhì)簡化模型

圖12 錦屏左岸纜機(jī)平臺及建基面、墊座開挖模型

圖13 錦屏一級左岸纜機(jī)平臺開挖前后的滑塊體模型

通過結(jié)合CATIA進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，可以直觀地反映塊體的幾何形狀，可以直接察看楔體滑塊和滑動面的情況，有時候根據(jù)塊體邊界面的位置方向就可以直接判斷是單滑還是雙滑模式；能輕松獲取各個結(jié)構(gòu)面的面積、形心位置及滑塊的體積，減少了大量重復(fù)工作，提高了計算效率。在進(jìn)行巖質(zhì)邊坡楔體穩(wěn)定計算時，通常構(gòu)成楔體的某一組或兩組結(jié)構(gòu)面位置并非完全確定，這就要在一系列滑動面組合下搜索最小穩(wěn)定安全系數(shù)，滑動面組合情況越多，利用CATIA 軟件進(jìn)行計算的優(yōu)勢越明顯。

DS的全生命周期管理工具，CATIA、ENOVIA VPM、Composor等在我院的數(shù)字錦屏一級電站、溪洛渡電站、坪頭電站、伊朗巴哈梯亞瑞電站設(shè)計過程中，得到了全面的應(yīng)用，實現(xiàn)了設(shè)計、分析的緊密結(jié)合和數(shù)據(jù)共享，在全相關(guān)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了三維數(shù)字電站循環(huán)型的協(xié)同設(shè)計、分析過程。未來水工結(jié)構(gòu)CAE仿真趨勢是仿真PLM一體化、分析模擬的數(shù)據(jù)和流程的統(tǒng)一管理、多學(xué)科仿真以及有限元仿真的融合。

7 結(jié)束語

通過部署MaxtriOne和CATIA/VPM協(xié)同設(shè)計平臺，整合了拱壩設(shè)計和業(yè)務(wù)流程管理，大大提高了質(zhì)量和效率。通過VPM在線設(shè)計，實現(xiàn)了專業(yè)間、專業(yè)內(nèi)的協(xié)同，設(shè)計分析一體化。通過對拱壩三維協(xié)同設(shè)計的探索，為實現(xiàn)數(shù)字拱壩信息模型的數(shù)字化產(chǎn)品移交的設(shè)計模式奠定基礎(chǔ)。

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