水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析一體化研究

黃 克 戩

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

由于水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)形式、受力條件以及載荷傳遞機(jī)制復(fù)雜，設(shè)計(jì)要求特殊，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，在水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于大型工程宜進(jìn)行三維有限元分析。目前，水電站蝸殼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)有限元分析非常普遍，但是像這樣復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維有限元分析及其結(jié)構(gòu)建模和有限元分析的前后處理工作都是比較復(fù)雜和細(xì)致的工作，這對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提出了較高要求。本文通過(guò)研究三維設(shè)計(jì)軟件和有限元分析軟件的結(jié)合，進(jìn)行一體化的開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)化水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)有限元分析工作。研究結(jié)合CATIA強(qiáng)大的參數(shù)化建模能力［1］，Abaqus的有限元分析能力［2］，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，形成了水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)三維有限元分析一體化的程序，實(shí)現(xiàn)了水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析一體化，可以快速高效地完成蝸殼結(jié)構(gòu)三維建模、有限元前后處理以及形成圖文結(jié)合的算稿，是水工建筑物復(fù)雜結(jié)構(gòu)利用三維CAD／CAE軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析一體化開(kāi)發(fā)的探索和嘗試。

1 蝸殼結(jié)構(gòu)型式

水電站廠房常見(jiàn)蝸殼結(jié)構(gòu)型式主要包括充水保壓蝸殼、墊層蝸殼和直埋蝸殼。這三種蝸殼結(jié)構(gòu)形式在其金屬蝸殼幾何體型上是相似的，但是在結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)上是不一樣的。本文主要是研究這三種蝸殼型式的一體化并進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。

墊層蝸殼是在金屬蝸殼外表面部分敷設(shè)彈性墊層材料，從而減小運(yùn)行時(shí)鋼蝸殼向外包鋼筋混凝土傳遞的荷載。充水保壓蝸殼是在施工時(shí)采取措施，臨時(shí)封閉蝸殼的進(jìn)口和出口，向蝸殼內(nèi)充水加壓，然后澆筑外包混凝土，在外包混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才卸掉蝸殼內(nèi)加壓的水，使蝸殼上部與外圍混凝土之間形成間隙。在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)蝸殼受內(nèi)水壓力變形使間隙閉合后，外包混凝土才承受蝸殼傳遞過(guò)來(lái)的荷載，從而達(dá)到減小外包混凝土所承擔(dān)荷載的目的。直埋蝸殼由金屬蝸殼和外圍混凝土直接聯(lián)合作用共同承受全部?jī)?nèi)水壓力，直埋蝸殼施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但是外包混凝土承擔(dān)的荷載比另外兩種蝸殼結(jié)構(gòu)型式大。

不論是哪一種蝸殼結(jié)構(gòu)，其三維建模核心主要是金屬蝸殼模型，蝸殼三維模型創(chuàng)建主要根據(jù)蝸殼的單線圖數(shù)據(jù)創(chuàng)建，在CATIA中可以直接關(guān)聯(lián)EXCEL表格創(chuàng)建參數(shù)，建立參數(shù)化的蝸殼結(jié)構(gòu)模型，不同的蝸殼模型只需要改變 EXCEL數(shù)據(jù)即可，見(jiàn)圖1。

2 技術(shù)方案

以CATIA為基礎(chǔ)界面，進(jìn)行界面的二次開(kāi)發(fā)。CATIA可以通過(guò)CAA進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，建立蝸殼結(jié)構(gòu)計(jì)算的菜單和界面，完成蝸殼結(jié)構(gòu)模型的調(diào)入和結(jié)構(gòu)計(jì)算所需要的相關(guān)參數(shù)的輸入，建立與Abaqus的無(wú)縫連接，將信息傳遞到Abaqus軟件。Abaqus采用后臺(tái)運(yùn)行方式，通過(guò)Python腳本程序編寫各種算法建立荷載、邊界、網(wǎng)格等與蝸殼結(jié)構(gòu)模型之間的關(guān)系，完成Abaqus軟件中有限元分析的所有前后處理工作，同時(shí)完成蝸殼結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算，形成計(jì)算報(bào)告。主要技術(shù)路線見(jiàn)圖2。

圖1 參數(shù)化蝸殼模型

圖2 主要技術(shù)路線

2.1 CATIA程序開(kāi)發(fā)

CATIA二次開(kāi)發(fā)采用CAA（Component Applicaton Architecture），CAA是CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的強(qiáng)有力的工具，它采用面向?qū)ο蟮某绦蛘Z(yǔ)言，基于C++語(yǔ)言封裝了一序列CATIA的組件庫(kù)［3］。CAA的開(kāi)發(fā)利用Abaqus對(duì)三維模型以及復(fù)雜曲面體形的較高兼容性，將CATIA裝配模型直接導(dǎo)入Abaqus裝配（Assembly）模塊中，同時(shí)為了更好地完成后續(xù)荷載施加、邊界條件、作用關(guān)系施加、斷面配筋計(jì)算等功能，通過(guò)蝸殼結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，建立CATIA模型與Abaqus有限元模型的映射關(guān)系，確保蝸殼結(jié)構(gòu)中的金屬蝸殼、座環(huán)、混凝土等結(jié)構(gòu)以及各荷載面和荷載點(diǎn)的準(zhǔn)確識(shí)別。CAA開(kāi)發(fā)環(huán)境界面如圖3。

圖3 CAA開(kāi)發(fā)環(huán)境界面

在CATIA裝配模塊環(huán)境下，主菜單中“工具”菜單后添加一個(gè)菜單“蝸殼計(jì)算”，其包括三個(gè)子菜單：墊層蝸殼、充水保壓蝸殼、直埋蝸殼，點(diǎn)擊不同蝸殼型式進(jìn)入不同蝸殼型式的計(jì)算分析界面。三個(gè)子菜單打開(kāi)的三個(gè)對(duì)話框基本相似。對(duì)話框總體上分為上下兩部分：上部是一個(gè)Tab元素，下部是四個(gè)按鈕（見(jiàn)圖4），其主要為輸入計(jì)算需要的文件、材料參數(shù)、配筋參數(shù)、荷載和邊界條件等，不同蝸殼形式略有不同。墊層蝸殼需要設(shè)置墊層材料參數(shù)和鋪設(shè)范圍參數(shù)，充水保壓蝸殼需要設(shè)置充水保壓值。

圖4 蝸殼結(jié)構(gòu)計(jì)算界面

2.2 Abaqus程序開(kāi)發(fā)

Abaqus前后處理的二次開(kāi)發(fā)主要基于Python語(yǔ)言［4］，Python功能強(qiáng)大，是面向?qū)ο蟆⒅弊g式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，其語(yǔ)法簡(jiǎn)潔清晰，內(nèi)置模塊庫(kù)豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)［5-7］。通過(guò)Abaqus二次開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)CATIA模型的導(dǎo)入，自定義網(wǎng)格劃分，自動(dòng)剖切荷載施加元素進(jìn)行荷載施加，并根據(jù)各零件之間的接觸關(guān)系，通過(guò)程序進(jìn)行空間搜索創(chuàng)建接觸對(duì)，在完成相應(yīng)前處理后提交計(jì)算，待計(jì)算完成后讀取成果文件，完成相應(yīng)云圖輸出和配筋計(jì)算，最后輸出圖文結(jié)合的計(jì)算報(bào)告。程序流程見(jiàn)圖5，主要程序功能模塊見(jiàn)表1。

圖5 程序流程示意

表1 主要程序功能模塊及功能描述

3 計(jì)算實(shí)例

某水電站廠房蝸殼采用充水保壓蝸殼，進(jìn)口最大直徑為9.6 m，蝸殼外緣最大尺寸為26.35 m，內(nèi)圓直徑為12.1 m。最大水頭為128 m，最小水頭為108.2 m，升壓水頭約為170 m，額定水頭為115 m，HD值達(dá)1 632 m2，保壓值為0.98 MPa。機(jī)墩、風(fēng)罩采用方型，最大外廓尺寸為23.6 m×22.6 m。

計(jì)算模型如圖6所示，外包混凝土結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，單元數(shù)308 018個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)64 060個(gè)；鋼蝸采用殼單元，單元數(shù)1 817個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 889個(gè)；座環(huán)采用實(shí)體單元，單元數(shù)8 496個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)2 555個(gè)。

圖6 蝸殼計(jì)算模型

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整理了正常運(yùn)行甩負(fù)荷工況下蝸殼外圍混凝土10個(gè)典型斷面的環(huán)向應(yīng)力及其配筋計(jì)算成果。蝸殼典型斷面和混凝土特征點(diǎn)位置見(jiàn)圖7。

圖7 蝸殼結(jié)構(gòu)典型計(jì)算斷面示意

表2、表3分別展示了外包混凝土各斷面環(huán)向應(yīng)力及環(huán)向配筋面積。從表2、表3可以看出，1號(hào)斷面及其上游的直管段，由于管徑大，外包混凝土厚度較薄，因此這些管段的環(huán)向配筋面積相對(duì)較大，直管段混凝土拉應(yīng)力和配筋面積均達(dá)到最大，進(jìn)口斷面隨著斷面直徑地逐漸減小，蝸殼外圍混凝土的配筋量也隨之減少。

表2 外包混凝土各斷面特征點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力 MPa

表3 外包混凝土各斷面環(huán)向配筋面積 mm2／m

4 結(jié) 語(yǔ)

本文探討研究了水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析一體化，基于CATIA、Abaqus進(jìn)行了蝸殼一體化程序開(kāi)發(fā)。程序可進(jìn)行三種蝸殼結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)分析，可以對(duì)蝸殼鋼襯厚度自動(dòng)賦值，對(duì)機(jī)組荷載自動(dòng)施加，對(duì)不同范圍的彈性墊層進(jìn)行鋪設(shè)，對(duì)不同邊界條件進(jìn)行施加，并自動(dòng)進(jìn)行不同蝸殼結(jié)構(gòu)計(jì)算前處理。程序可自動(dòng)輸出不同斷面云圖，并進(jìn)行配筋計(jì)算，對(duì)配筋結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)的裂縫校核，輸出圖文結(jié)構(gòu)的計(jì)算報(bào)告。

水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的水工建筑物結(jié)構(gòu)，蝸殼外包混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是水電站廠房設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。此次一體化程序開(kāi)發(fā)嘗試，較好地解決了這個(gè)問(wèn)題，是一次水工建筑物復(fù)雜結(jié)構(gòu)利用三維CAD／CAE軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析一體化的探索和嘗試。