基于ANSYS Workbench進(jìn)行水工輔助分析的應(yīng)用

（湖南澧水工程項(xiàng)目管理有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410014）

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及CAE 迭代設(shè)計(jì)流程的對(duì)比

1.1 相關(guān)背景

計(jì)算機(jī)輔助工程 CAE（Computer Aided Engineering），主要用于模擬分析、驗(yàn)證和改善設(shè)計(jì)。在近年來(lái)電腦技術(shù)及3D、CAD 快速發(fā)展的情況下，CAE應(yīng)用比例越來(lái)越高，使用難度也越來(lái)越低，使用者數(shù)量大幅增長(zhǎng)。與CAD 相比，CAE 使用者需要更多物理相關(guān)知識(shí)來(lái)設(shè)定條件與解釋結(jié)果。至于計(jì)算過(guò)程所使用到的數(shù)學(xué)方法，如微分方程、有限元素法、有限體積法等全部交給電腦處理就可以了。

2002 年密歇根大學(xué)教授Dr.Michanel Grieves 在發(fā)表的一篇文章中第一次提出了數(shù)字孿生（Digtal Twins）概念。即在虛擬數(shù)字空間構(gòu)建一個(gè)可以表征真實(shí)空間物理特征的虛擬實(shí)體，藉此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的了解、分析和迭代設(shè)計(jì)優(yōu)化。該虛擬實(shí)體可與真實(shí)實(shí)體的整個(gè)生命周期聯(lián)系在一起。該觀念最早是應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)數(shù)字樣機(jī)飛機(jī)的實(shí)時(shí)同步，來(lái)模擬、進(jìn)化設(shè)計(jì)和無(wú)圖紙生產(chǎn)。此后，該概念逐步擴(kuò)展至機(jī)械等各領(lǐng)域。目前工程界的BIM（Building Information Modeling）發(fā)展就是數(shù)字孿生概念的一種另外體現(xiàn)。

三維正向設(shè)計(jì)從最開(kāi)始的航空航天、機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，自2010 年左右逐步邁向建筑領(lǐng)域、土木工程領(lǐng)域，包括水利工程，搭配現(xiàn)在的BIM 化模型，對(duì)整個(gè)水工設(shè)計(jì)進(jìn)行全過(guò)程的仿真模擬（靜力分析、流固耦合、溫固耦合分析、抗震動(dòng)力分析等）的條件日趨成熟，通過(guò)數(shù)字孿生模型（數(shù)字樣機(jī)）部分替代物理模型（物理樣機(jī)）進(jìn)行數(shù)字虛擬試驗(yàn)分析，加速迭代設(shè)計(jì)速度和節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

ANSYS Workbench:是CAE 巨頭ANSYS 公司基于有限元法的工程仿真技術(shù)集成平臺(tái)，于2002 年首先推出，ANSYS Workbench 不但繼承了ANSYS 經(jīng)典環(huán)境的大部分強(qiáng)大功能，其所提供的CAD 雙向參數(shù)鏈接互動(dòng)、項(xiàng)目數(shù)據(jù)自動(dòng)更新機(jī)制、全新的參數(shù)和無(wú)縫集成的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具等，使ANSYS 在“仿真驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)”方面達(dá)到了前所未有的高度。ANSYS Workbench 真正實(shí)現(xiàn)了集成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化功能于一身，可以幫助設(shè)計(jì)人員在同一個(gè)平臺(tái)上完成研發(fā)過(guò)程的所有工作，從而大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

1.2 兩種設(shè)計(jì)流程的對(duì)比

傳統(tǒng)的線性設(shè)計(jì)思維：經(jīng)驗(yàn)估算幾何尺寸，力學(xué)計(jì)算，送專業(yè)分析部門(mén)進(jìn)行有限元分析（如有必要），物理模型佐證（大型工程），定型或修改設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)的線性設(shè)計(jì)思維

迭代設(shè)計(jì)思維：經(jīng)驗(yàn)估算幾何尺寸，力學(xué)計(jì)算，制作水工建筑物的數(shù)字孿生模型，利用有限元軟件進(jìn)行輔助仿真分析（大中小型工程均可），根據(jù)分析結(jié)果，如發(fā)現(xiàn)不足，修改模型，迭代前面過(guò)程，直至符合要求，最終制作物理模型驗(yàn)證（大型工程），見(jiàn)圖2。

圖2 迭代設(shè)計(jì)思維

筆者所在單位為小型的工程咨詢公司，沒(méi)有獨(dú)立分析部門(mén)，嘗試?yán)孟嚓P(guān)軟件的學(xué)習(xí)版本對(duì)這個(gè)思路進(jìn)行了實(shí)踐，通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，部分模擬了這個(gè)流程，發(fā)現(xiàn)完全可行。

2 應(yīng)用過(guò)程

2.1 分析所用項(xiàng)目的介紹和水工尺寸

該項(xiàng)目位于瀏陽(yáng)市沿溪鎮(zhèn)大光河的中游，距沿溪鎮(zhèn)7 km，瀏陽(yáng)市區(qū)40 km。壩址以上控制流域集雨面積46.11 km2，占整個(gè)大光河流域面積的62.1%。

水庫(kù)正常蓄水位為190.0 m，設(shè)計(jì)洪水位為192.2 m，校核水位為192.5 m，防洪限制水位為184.5 m，防洪高水位為192.2 m，死水位為171.0 m；總庫(kù)容為1 270.5萬(wàn)m3，死庫(kù)容為184 萬(wàn)m3，防洪庫(kù)容為535 萬(wàn)m3。

壩型選擇為碾壓式混凝土重力壩。

非溢流壩剖面設(shè)計(jì)：斷面選用上游面直立、下游面傾斜的標(biāo)準(zhǔn)三角形剖面，下游面的邊坡系數(shù)m=0.75，壩底寬39.2 m。壩頂寬取6.0 m，壩頂下游面直立墻的高度為8.0 m。

2.2 有限元軟件的選擇

選擇使用ANSYS 的Workbench 環(huán)境。ANSYS Workbench 的全圖形界面化操作，所見(jiàn)即所得，使有限元輔助設(shè)計(jì)將如同個(gè)人電腦普及一樣，成為土木工程師的有效手段。有限元軟件使用也由集中使用（分析中心）向分布式（獨(dú)立個(gè)人）使用過(guò)渡。

2.3 本項(xiàng)目有限元分析的流程

1）簡(jiǎn)化思路。有2D 分析和3D 分析兩種手段，考慮到是數(shù)字孿生概念，需要更加接近真實(shí)模型，使用全三維分析手段，更加接近實(shí)際邊界情況。

2）模型的簡(jiǎn)化及建模。數(shù)字孿生模型選取一截壩段（24 m），上下游各取1.5H 長(zhǎng)作為計(jì)算范圍，基礎(chǔ)取1.5H 深作為計(jì)算范圍。采用CAD 軟件進(jìn)行三維建模，有限元軟件接力共享。雖然有限元軟件有獨(dú)立建模模塊DM，但是推薦利用參數(shù)化CAD 專業(yè)軟件進(jìn)行專業(yè)建模：如Invent，UG，Pro/E，Catia，Solidwork 等。參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)于迭代設(shè)計(jì)時(shí)反復(fù)修改模型尺寸是非常有利的，見(jiàn)圖3。

3）邊界條件施加：

①約束簡(jiǎn)化及施加。上下游兩面，左右兩面，基礎(chǔ)底面均采用displacement 約束，約束方向分別為上下游方向（橫向），大壩縱軸線方向，大壩上下方向。

②荷載加載，本文僅限對(duì)正常蓄水位工況的模擬，其他工況條件分析流程相同。

圖3 CAD 模型線框圖

施加的荷載包括地球重力、靜水壓力、揚(yáng)壓力、淤沙壓力，見(jiàn)圖4。

圖4 荷載的可視化加載

4）計(jì)算求解。變形、應(yīng)變、應(yīng)力云圖趨勢(shì)符合預(yù)期假設(shè)，排除應(yīng)力奇異部位，應(yīng)力值基本吻合材料力學(xué)計(jì)算成果。應(yīng)力集中現(xiàn)象不妨礙對(duì)壩體幾何尺寸合理性效果驗(yàn)證的判斷，見(jiàn)圖5。

圖5 模型分析結(jié)果云圖

3 結(jié)論

1）隨著ANSYS 的Workbench 環(huán)境的推出，使有限元從象牙塔走入普通水工設(shè)計(jì)人員一線，作為一種輔助手段，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算的同時(shí)可以建立數(shù)字孿生模型，同步進(jìn)行有限元分析，迭代、優(yōu)化設(shè)計(jì)，能起到快速收斂、事半功倍的作用。普通工程師掌握有限元軟件作為輔助設(shè)計(jì)手段，結(jié)合BIM 三維設(shè)計(jì)，做到設(shè)計(jì)-仿真真正的一體化將是趨勢(shì)，但前提是掌握深厚的專業(yè)理論知識(shí)，而不僅僅是軟件操作。

2）建立水工建筑的數(shù)字孿生模型時(shí)，一定要注意模型的精確、恰當(dāng)?shù)哪M，邊界條件的精確、恰當(dāng)?shù)哪M，物理?xiàng)l件的精確、恰當(dāng)?shù)哪M。只有三個(gè)條件都滿足了，建立好的物理世界和數(shù)字世界的映射關(guān)系，才能發(fā)揮CAE 的分析、CAD 的修改作用（本文僅僅是演示流程實(shí)現(xiàn)的可行性，模型僅僅選取非溢流壩的一段壩段，且做了一定簡(jiǎn)化）。數(shù)字孿生模型越細(xì)致，將更加貼近實(shí)際的邊界條件，但將導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間和難度增加，過(guò)去模型簡(jiǎn)化的部分原因是計(jì)算機(jī)資源不足造成的，隨著云計(jì)算和個(gè)人PC 計(jì)算能力的提高，全三維數(shù)字模型仿真模擬的環(huán)境將更加容易實(shí)現(xiàn)。