基于CAD/CAE的泵站裝置流固耦合數(shù)值仿真

謝偉 陳堅(jiān)

摘 要：使用鋼制流道的軸流泵站方案，具有施工方便、不易開(kāi)裂、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，然其復(fù)雜水力條件引起的鋼制薄壁結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)問(wèn)題亟待解決。在解決這一類問(wèn)題時(shí)，流固耦合數(shù)值仿真計(jì)算中CAD和CAE兩大技術(shù)通常獨(dú)立應(yīng)用，造成了其過(guò)程效率較低、成本較高、周期較長(zhǎng)等。引入CAD/CAE一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)泵站鋼制流道仿真模擬的精準(zhǔn)建模，并利用CAD/CAE交互接口進(jìn)行鋼制流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化初步實(shí)踐。結(jié)果表明，CAD/CAE一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水利水電工程中特定流固耦合數(shù)值仿真問(wèn)題的精準(zhǔn)建模和快速優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大提高了水利水電工程中設(shè)計(jì)—分析—優(yōu)化過(guò)程的效率。

關(guān)鍵詞：鋼制流道;軸流泵站;流固耦合;CAD/CAE一體化;精準(zhǔn)建模;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TV675;TV332.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.022

引用格式：謝偉，陳堅(jiān).基于CAD/CAE的泵站裝置流固耦合數(shù)值仿真[J].人民黃河，2021，43（10）：114-118.

Abstract： The novel axial-flow pumping station scheme with steel-made runner comparatively has shown many edges such as its convenient construction， crack-proof performance， and long service life. However， the vibration of the structure caused by hydraulic excitation is of great concern and worthy of investigation. In solving this kind of problem， numerical simulation through fluid-structure interaction analysis is a trendy research topic. However， the CAD and CAE technologies are usually applied independently， making the process inefficient， long-term and high-cost. With a CAD/CAE integration system applied in this paper， a precise simulation model was established and applied for the preliminary practice of structural optimization through the CAD/CAE interactive interface. The results turn out that the precise modeling and rapid optimization design of specific problems in hydraulic and hydroelectric engineering projects are realized and the efficiency of the iterative design-analysis-optimization process is greatly improved， which helps provide a feasible and efficient analysis method for the optimization design for hydraulic and hydroelectric engineering projects.

Key words： steel-made flow passage; axial-flow pumping station; fluid-structure interaction; CAD/CAE integration; precise modeling; structural optimization

為了保證流道水面線形流暢且盡可能減小過(guò)水阻力，常規(guī)軸流泵站采用混凝土流道，但混凝土流道施工要求尤為嚴(yán)格，施工難度大，且漸變的異型鋼筋綁扎與安裝困難，因此使用鋼制流道的軸流泵站方案被采用。鋼制流道方案具有施工簡(jiǎn)便、不易產(chǎn)生裂縫、泵站裝置安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但復(fù)雜的水力條件引起鋼制薄壁結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)及疲勞破壞[1]等問(wèn)題亟待解決。涉及學(xué)科交叉的流固耦合研究已逐漸成為解決這一問(wèn)題的熱點(diǎn)。

隨著CFD流體動(dòng)力學(xué)研究的不斷完善，對(duì)泵站內(nèi)部流場(chǎng)的仿真模擬及流固耦合研究的要求和需求越來(lái)越高[2-4]。然而流固耦合分析過(guò)程煩瑣、難度大，且CAD、CAE系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的單向傳遞性使得流固耦合研究難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)數(shù)值仿真及設(shè)計(jì)—分析—優(yōu)化的全過(guò)程閉合循環(huán)。近年來(lái)，實(shí)現(xiàn)CAD、CAE平臺(tái)之間數(shù)據(jù)雙向傳遞、無(wú)縫連接的CAD/CAE一體化技術(shù)已逐漸成為工程界的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向[5-8]。

本文結(jié)合某鋼制流道軸流泵站項(xiàng)目，基于以CATIA為主的CAD軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS的交互式接口CAPRI[9]，以ANSYS Workbench為主要CAE平臺(tái)，引入CAD/CAE一體化技術(shù)，進(jìn)行精準(zhǔn)建模和流固耦合分析，并通過(guò)參數(shù)變動(dòng)快速實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型的改進(jìn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化初步實(shí)踐，為水利水電領(lǐng)域中某些復(fù)雜有限元優(yōu)化分析提供一種可行、便捷的研究方法。

1 流固耦合理論

流固耦合的本質(zhì)是研究固體變形對(duì)流場(chǎng)影響以及流體對(duì)可變形固體影響，其建立在計(jì)算流體力學(xué)、固體力學(xué)的理論基礎(chǔ)上?？刂品匠虨?/p>

流體運(yùn)動(dòng)需要遵循水力學(xué)客觀規(guī)律，即質(zhì)量、動(dòng)量、能量三大守恒定律，而相應(yīng)的控制方程是其在數(shù)學(xué)上的體現(xiàn)。

本文泵站項(xiàng)目中流體的流動(dòng)滿足上述基本守恒規(guī)律，流體瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)可用Navier-Stokes[10]方程（直角坐標(biāo)系中采用張量形式）加以描述：

2 CAD/CAE一體化方法

CAD/CAE一體化技術(shù)以CATIA為主要CAD平臺(tái)、以ANSYS Workbench為主要CAE平臺(tái)，本文結(jié)合兩者之間的交互式接口CAPRI技術(shù)進(jìn)行流固耦合分析，并通過(guò)參數(shù)變動(dòng)快速實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型的改進(jìn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化初步實(shí)踐。特別地，通過(guò)使用ANSYS Workbench中關(guān)鍵的參數(shù)管理器（Parameter Manager）增強(qiáng)設(shè)計(jì)迭代，以及應(yīng)用智能更新設(shè)計(jì)方案的功能，在調(diào)整參數(shù)后可選定更新零件而不是整個(gè)裝配體，即進(jìn)行局部更新，有利于充分發(fā)揮CATIA的裝配優(yōu)點(diǎn)，大大提高分析效率。

分析流程：在CAD平臺(tái)CATIA中進(jìn)行參數(shù)化建模并設(shè)置參數(shù)，通過(guò)無(wú)縫連接的CAPRI接口，將攜帶參數(shù)P的精準(zhǔn)模型導(dǎo)入ANSYS Workbench（WB）中用于有限元分析，若設(shè)計(jì)結(jié)果較為滿意則結(jié)束，否則基于Parameter Manager（PM），通過(guò)調(diào)整獲得新的參數(shù)P，采用CAPRI接口無(wú)縫、智能更新模型，如此循環(huán)（見(jiàn)圖1）。本文結(jié)合某泵站項(xiàng)目，基于CAD/CAE一體化技術(shù)進(jìn)行了流固耦合分析實(shí)踐，見(jiàn)圖2。

3 模型建立

3.1 幾何模型建立

本文將機(jī)械制造領(lǐng)域的葉片設(shè)計(jì)軟件Bladegen加入到建模過(guò)程中[12]，使得葉片設(shè)計(jì)參數(shù)化，水力條件較好，且無(wú)須建立三維點(diǎn)坐標(biāo)，無(wú)須進(jìn)行樣條曲線放樣、修正等，也無(wú)須進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)計(jì)算、處理，從而提高效率。在CATIA中，先對(duì)水泵裝置進(jìn)行裝配，通過(guò)添加約束，使各部件在裝配關(guān)系上完美貼合，如圖3所示。本文鋼制流道泵站結(jié)構(gòu)采用S形流道?；贑ATIA強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)以及裝配能力最大化，精細(xì)地仿真了泵站流道，其材料參數(shù)見(jiàn)表1，最終裝配圖如圖4所示。

3.2 有限元模型建立

傳統(tǒng)流固耦合分析前處理方法需在建模軟件中建立水體-結(jié)構(gòu)的耦合模型，而借助航空航天行業(yè)的專業(yè)前處理軟件ICEM CFD，無(wú)須建立水體模型，通過(guò)提取中面后即可建立體網(wǎng)格生成水體，大大縮短了相關(guān)研究中復(fù)雜的建模時(shí)間，且解決了傳統(tǒng)流固耦合分析計(jì)算中水體建立困難以及水體與復(fù)雜流道之間難以完美匹配的問(wèn)題，使得短時(shí)間修改模型成為可能。水體網(wǎng)格采用八叉樹(shù)算法，基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成全四面體網(wǎng)格，精細(xì)加密葉片旋轉(zhuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格，并分5層加密了邊界層網(wǎng)格，在軟件中實(shí)現(xiàn)跨尺度網(wǎng)格劃分。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)格如圖5、圖6所示。裝配后的模型網(wǎng)格共有270 606個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 559 101個(gè)單元，自由度為百萬(wàn)級(jí)，滿足流體對(duì)網(wǎng)格高精度的需要，仿真更為精細(xì)化，生成速度約為每秒1 500個(gè)單元，具有較高的網(wǎng)格劃分效率。

4 流固耦合分析計(jì)算

通過(guò)對(duì)新型鋼制流道（管壁厚度為1.2 cm）泵站進(jìn)行流道內(nèi)流場(chǎng)模擬和流固耦合分析，研究流道水力特性、振動(dòng)響應(yīng)以及疲勞破壞情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站鋼制流道的安全性評(píng)價(jià)。

流道縱斷面靜壓、速度矢量如圖7、圖8所示，流速空間矢量如圖9所示。

分析可知，進(jìn)、出管段靜壓分布較均勻，符合項(xiàng)目資料（入口、出口淹沒(méi)水頭分別為4.75、3.68 m）;在彎肘管處，靜壓減小，動(dòng)壓增大;在轉(zhuǎn)輪處?kù)o壓繼續(xù)減小，動(dòng)壓繼續(xù)增大;固定導(dǎo)葉附近水流受動(dòng)靜干涉的影響，流態(tài)復(fù)雜，出現(xiàn)了較小的局部壓力集中區(qū)。因此，從水力學(xué)特性的角度分析，鋼制流道的設(shè)計(jì)較為合理。然而對(duì)于導(dǎo)葉處、出口管段底部出現(xiàn)的旋渦，需要做好局部空化、空蝕保護(hù)措施。另外，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)葉數(shù)量、形態(tài)，優(yōu)化彎肘管設(shè)計(jì)等措施取得最優(yōu)的流態(tài)分布值得進(jìn)一步研究。

管壁總變形圖、等效應(yīng)力圖如圖10、圖11所示。分析可知，進(jìn)水管頂部的中心出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，中心的等效應(yīng)力約為130 MPa，而最大等效應(yīng)力為183 MPa，出現(xiàn)在進(jìn)口管頂部的端部，均滿足強(qiáng)度要求，而最大總變形值出現(xiàn)在進(jìn)水管頂部中心，約為6.97 mm，剛度略顯不足，可加設(shè)環(huán)向肋板。特別地，對(duì)于進(jìn)水管頂部的中心和端部位置、出水管段頂部中心出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材屈服強(qiáng)度，鋼制流道設(shè)計(jì)較為合理，但仍需注意水力激勵(lì)引起的疲勞破壞問(wèn)題。

因疲勞分析中，S—N曲線（應(yīng)力幅與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線）與材料表面狀態(tài)、幾何形狀、焊接形式等因素有關(guān)，故需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格試驗(yàn)得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。本文通過(guò)ANSYS Workbench下的Fatigue Tool，基于表2所列材料交變應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單的流道疲勞分析（此類為高周疲勞問(wèn)題），施加脈動(dòng)循環(huán)作用力，疲勞強(qiáng)度因子取0.8，疲勞分析安全系數(shù)最大為15，最大安全壽命設(shè)定為循環(huán)1×106次。疲勞分析安全系數(shù)分布云圖如圖12所示。對(duì)于圖12中顯示的疲勞安全系數(shù)較低的區(qū)域，如進(jìn)口段頂部、彎肘管拐彎處、出口擴(kuò)散段，建議提升加工質(zhì)量以改善表面狀態(tài)、減小內(nèi)部缺陷，設(shè)計(jì)時(shí)可采用降載設(shè)計(jì)、大圓角設(shè)計(jì)等措施改善應(yīng)力集中現(xiàn)象，以提升抗疲勞性能。

5 設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)踐

本文基于CATIA與ANSYS Workbench之間的CAPRI接口，實(shí)現(xiàn)CAD/CAE一體化，對(duì)流道振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)單優(yōu)化分析。不考慮多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，僅通過(guò)在CATIA中預(yù)先設(shè)定流道管壁厚度為攜帶參數(shù)，調(diào)整該參數(shù)，快速得到n組管厚方案，實(shí)現(xiàn)管厚方案比選的快速設(shè)計(jì)-分析-優(yōu)化過(guò)程，且操作十分簡(jiǎn)單，這是傳統(tǒng)CAD、CAE相互獨(dú)立運(yùn)行難以實(shí)現(xiàn)的。

例如：管壁厚度調(diào)整為3 cm時(shí)，管壁總變形如圖13所示，管厚與最大振動(dòng)響應(yīng)關(guān)系如圖14所示?？梢?jiàn)，隨著管厚的增大，最大總變形值、最大等效應(yīng)力值明顯減小，然而考慮成本、工藝等因素，需要進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

6 結(jié) 論

（1）本文通過(guò)引入CAD/CAE一體化技術(shù)，為水利水電工程中特定的復(fù)雜數(shù)值仿真問(wèn)題精準(zhǔn)建模、快速優(yōu)化分析提供了一種高效、可行的方法。

（2）基于參數(shù)化建模技術(shù)、跨尺度網(wǎng)格劃分技術(shù)，建立了計(jì)算自由度達(dá)百萬(wàn)級(jí)的高精度計(jì)算模型，為水利工程中的精準(zhǔn)仿真分析提供一種新的設(shè)計(jì)思路和分析方法。

（3）疲勞分析未充分考慮鋼材的表面狀態(tài)、幾何形狀、焊接形式等因素，需要通過(guò)試驗(yàn)研究進(jìn)一步獲得更準(zhǔn)確的疲勞分析結(jié)果。此外，針對(duì)相關(guān)優(yōu)化問(wèn)題，為了獲得最終優(yōu)化結(jié)果，建議進(jìn)一步進(jìn)行多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化研究。

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【責(zé)任編輯 張華巖】