弧形閘門結(jié)構(gòu)性能的ＢＩＭ＋ＣＡＥ 有限元計(jì)算分析

孫少楠 張瑞捷 肖佳華 張志恒 馬奔

摘 要：針對(duì)弧形閘門結(jié)構(gòu)復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)信息混亂等問題，提出ＢＩＭ＋ＣＡＥ 有限元技術(shù)對(duì)弧形閘門結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析。以實(shí)驗(yàn)室弧形閘門模型為例，采用ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ 構(gòu)建ＢＩＭ 模型，介紹ＢＩＭ 平臺(tái)與ＣＡＥ 平臺(tái)數(shù)據(jù)交互方法，利用ＢＩＭ 技術(shù)碰撞檢測(cè)、數(shù)據(jù)更新功能對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，將ＢＩＭ 模型導(dǎo)入Ａｎｓｙｓ－Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，模擬不同開度下溢洪道水流流態(tài)和弧形閘門受力情況。ＣＡＥ 有限元分析結(jié)果顯示，溢洪道過閘流量數(shù)值模擬值與理論計(jì)算值相比，誤差小于４．００％，驗(yàn)證仿真結(jié)果合理可靠。閘門等效應(yīng)力和變形隨開度增加整體呈非線性減小趨勢(shì)。此外，通過軟件顯示功能導(dǎo)入應(yīng)力云圖以及添加ＢＩＭ 模型關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)水力信息，可實(shí)現(xiàn)ＢＩＭ 平臺(tái)與ＣＡＥ平臺(tái)在弧形閘門性能分析中的二次應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：弧形閘門；結(jié)構(gòu)性能；ＢＩＭ；ＣＡＥ 有限元；數(shù)據(jù)交互

中圖分類號(hào)：ＴＶ６６３＋ ．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２１

引用格式：孫少楠，張瑞捷，肖佳華，等．弧形閘門結(jié)構(gòu)性能的ＢＩＭ＋ＣＡＥ 有限元計(jì)算分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１１８－１２１，１２５．

ＢＩＭ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ） 技術(shù)在可視化、信息集成、信息共享方面具有其他工作模式不具備的優(yōu)勢(shì)，其在房建和路橋建設(shè)方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［１］ 。例如：茅建校等［２］ 基于Ｒｅｖｉｔ 二次開發(fā)程序插件，提出了橋梁信息模型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化方法，該方法中ＲＧＢ 色彩映射關(guān)系可反映橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)；劉金典等［３］ 提出將ＢＩＭ 技術(shù)應(yīng)用于激光掃描裝配式建筑質(zhì)量控制和體系建造。但目前在水利閘門設(shè)計(jì)方面，如水流流態(tài)仿真、閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析等僅依靠ＢＩＭ 技術(shù)很難完成［４］ 。

利用ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）有限元技術(shù)的高精度、高仿真度特性可以進(jìn)行弧形閘門仿真計(jì)算分析。例如：劉竹麗等［５］ 以Ａｎｓｙｓ?Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 為平臺(tái)，采用雙向流固耦合方法，對(duì)不同開度下平板閘門的流激振動(dòng)問題進(jìn)行分析，得出閘門應(yīng)力、位移變化規(guī)律；盛韜楨等［６］ 基于Ａｎｓｙｓ?Ｍｏｄａｌ 模塊，對(duì)護(hù)鏡式閘門在動(dòng)水啟閉時(shí)振動(dòng)頻率隨閘門開度和模態(tài)階數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行研究。梳理有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，大多學(xué)者只是單方面采用Ａｎｓｙｓ 軟件建立閘門結(jié)構(gòu)，并沒有將ＢＩＭ 參數(shù)化建模技術(shù)結(jié)合Ａｎｓｙｓ 虛擬仿真技術(shù)用于閘門數(shù)值分析。本文采用ＢＩＭ＋ＣＡＥ 有限元技術(shù)對(duì)某弧形閘門結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，對(duì)弧形閘門不同開度的流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證該技術(shù)的可行性，以期為類似水閘工程正向設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

１ ＢＩＭ 平臺(tái)與ＣＡＥ 平臺(tái)數(shù)據(jù)交互

１．１ 數(shù)值化建模

采用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ 和ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ 等軟件進(jìn)行弧形閘門三維實(shí)體模型搭建，利用軟件內(nèi)部布爾運(yùn)算功能抽取滿足數(shù)值模擬流體域的ＢＩＭ 模型。通過碰撞檢測(cè)功能解決弧形閘門各零件模型不協(xié)調(diào)問題，在保證不影響仿真計(jì)算精度和模型網(wǎng)格質(zhì)量條件下，對(duì)弧形閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，以最大限度節(jié)省仿真計(jì)算成本?；⌒伍l門幾何結(jié)構(gòu)ＢＩＭ 數(shù)值化建模見圖１。

１．２ 數(shù)據(jù)傳輸

ＢＩＭ 平臺(tái)和ＣＡＥ 平臺(tái)都有良好的信息集成功能，采用這兩種平臺(tái)進(jìn)行有限元分析，可以縮短正向設(shè)計(jì)時(shí)間。實(shí)現(xiàn)這兩種平臺(tái)間數(shù)據(jù)傳輸主要有三種方法：方法一是將ＢＩＭ 平臺(tái)內(nèi)嵌于ＣＡＥ 模塊，直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式無縫銜接，如在Ｉｎｖｅｎｔｏｒ 中直接調(diào)入Ａｎｓｙｓ 模塊，使模型信息快速進(jìn)入Ａｎｓｙｓ 分析環(huán)境；方法二是靜態(tài)數(shù)據(jù)交互，即轉(zhuǎn)化ＩＦＣ、ＳＴＥＰ、ＡＣＩＳ 等中間標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式文件，但對(duì)于一些復(fù)雜構(gòu)件模型文件傳輸，此方法易發(fā)生模型丟失和尺寸偏差問題，需要對(duì)模型進(jìn)行校核完善；方法三是針對(duì)特定ＢＩＭ 模型，通過軟件動(dòng)態(tài)編程接口（ＡＰＩ）進(jìn)行軟件二次開發(fā)，直接讀取并分析弧形閘門結(jié)構(gòu)幾何特征、材質(zhì)等信息，提升模型數(shù)據(jù)傳輸速度與精度，拓寬ＢＩＭ 平臺(tái)應(yīng)用范圍。

２ 基于ＢＩＭ 的弧形閘門設(shè)計(jì)應(yīng)用

弧形閘門設(shè)計(jì)過程涉及閘門面板、基礎(chǔ)埋件、閘門支鉸模型與土建模型之間的干涉碰撞，傳統(tǒng)二維圖紙信息表達(dá)具有局限性。而應(yīng)用ＢＩＭ 技術(shù)的參數(shù)化表達(dá)，可實(shí)現(xiàn)弧形閘門關(guān)鍵部位連接和復(fù)雜水工構(gòu)件元素三維可視化；同時(shí)通過Ｂｅｎｔｌｅｙ 平臺(tái)中ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ軟件內(nèi)嵌模塊的碰撞檢測(cè)功能，對(duì)不同專業(yè)模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)、交叉?zhèn)鬟f模型參數(shù)信息，可保證弧形閘門的裝配精度?；⌒伍l門模型與土建模型碰撞檢測(cè)結(jié)果見圖２。共檢測(cè)到１５ 個(gè)碰撞點(diǎn)，對(duì)碰撞的位置進(jìn)行模型修改與調(diào)整，優(yōu)化各專業(yè)模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以生成工程量報(bào)表，輔助預(yù)測(cè)項(xiàng)目成本。通過應(yīng)用ＢＩＭ 技術(shù)提前發(fā)現(xiàn)弧形閘門設(shè)計(jì)階段存在的問題，減少設(shè)計(jì)變更，促進(jìn)不同參與方、不同專業(yè)模型之間的信息同步與信息共享，整體提高設(shè)計(jì)工作效率和質(zhì)量。

３ 數(shù)值模型

３．１ 數(shù)字底板

仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取實(shí)驗(yàn)室弧形閘門模型，針對(duì)水壓力下溢流壩段表孔弧形閘門在不同啟閉開度的流激振動(dòng)進(jìn)行單向流固耦合數(shù)值模擬［７］ 。溢流壩段剖面見圖３，圖中ｘ 表示順?biāo)鞣较?，?表示垂直水流方向。堰頂形式采用ＷＥＳ 堰形式，中間曲面為斜直段，下游接反弧段，壩頂高程３８４．０００ ｍ，單個(gè)表孔寬度８ ｍ?；⌒伍l門寬８ ｍ、高２７．２１５ ｍ，閘門面板最大半徑３０ ｍ。閘門材料為Ｑ３４５Ｂ 結(jié)構(gòu)鋼［８］ ，彈性模量為２． ０６ × １０５ ＭＰａ， 泊松比為０． ３， 密度為７ ８５０ｋｇ／ ｍ３，抗拉、抗壓強(qiáng)度均為２２５ ＭＰａ。

４．２ 水面曲線分析

水面曲線是泄洪建筑物設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，不同閘門開度的水面曲線見圖５。水體積分?jǐn)?shù)為０．５ 時(shí)水氣交界面層次清晰。堰頂閘門開度越大，水流垂直斷面越大，水流接近閘門時(shí)翻滾程度越高，水面壅高，水體飛濺，對(duì)閘門容易產(chǎn)生共振破壞。

４．３ 閘門等效應(yīng)力、變形分析

在Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中將Ｆｌｕｅｎｔ 模塊計(jì)算的水壓力數(shù)據(jù)鏈接到Ｓｔａｔｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ 模塊，通過數(shù)值模擬得到不同開度的弧形閘門等效應(yīng)力值和變形值，見表２?；⌒伍l門未開啟時(shí)最大等效應(yīng)力為１４２．２ ＭＰａ，最大變形值為３．４５ ｍｍ。伴隨著弧形閘門的開啟，閘門等效應(yīng)力值、變形值整體呈現(xiàn)非線性減小趨勢(shì)。但當(dāng)開度為１．０～１．５ ｍ 時(shí)兩者出現(xiàn)逆增長(zhǎng)趨勢(shì)，說明此開度下閘門容易因不規(guī)律受力而發(fā)生變形破壞，建議減少此開度的閘門運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

弧形閘門開度為０．０ ｍ 時(shí)其等效應(yīng)力、變形云圖見圖６。由于面板整體為薄壁結(jié)構(gòu)，因此采用ｓｈｅｌｌ 單元進(jìn)行閘門受力分析。面板承受水壓面積大，基本上呈現(xiàn)水平向內(nèi)凹陷變形。最大變形出現(xiàn)在面板下部區(qū)域，見圖６ 中Ｍａｘ 位置，建議提高閘門底部結(jié)構(gòu)材料剛度。

４．４ ＢＩＭ 與ＣＡＥ 有限元的二次應(yīng)用

通過有限元數(shù)值分析得到溢流道弧形閘門相關(guān)信息，包括水體積分?jǐn)?shù)、弧形閘門等效應(yīng)力、變形等?；冢拢澹睿簦欤澹?平臺(tái)中ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ 軟件顯示功能實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果應(yīng)力云圖導(dǎo)入ＢＩＭ 平臺(tái)，完成ＢＩＭ 與ＣＡＥ 有限元在弧形閘門結(jié)構(gòu)性能分析中的二次應(yīng)用，見圖７。通過ＢＩＭ 技術(shù)將弧形閘門相關(guān)力學(xué)信息賦予ＢＩＭ 模型相應(yīng)部位，對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件進(jìn)行修改優(yōu)化，對(duì)應(yīng)力小的構(gòu)件減少鋼材用量，以節(jié)省材料、降低成本。對(duì)于弧形閘門三維設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法，ＢＩＭ 結(jié)合數(shù)值模擬方法更加符合新時(shí)代水利工程設(shè)計(jì)要求。

５ 結(jié)論

本文提出ＢＩＭ 結(jié)合ＣＡＥ 有限元的方法，對(duì)弧形閘門性能進(jìn)行分析。采用單向流固耦合、ＲＮＧ ｋ －ε 模型、ＶＯＦ 方法分析不同開度下閘門受力情況。隨著閘門開度增大，上游水體剪切、混摻更加劇烈，容易發(fā)生閘門共振現(xiàn)象，閘門的等效應(yīng)力和變形總體呈非線性減小趨勢(shì)。通過軟件內(nèi)部顯示功能將數(shù)值模擬得到的水力信息賦予ＢＩＭ 模型，可實(shí)現(xiàn)弧形閘門三維優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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【責(zé)任編輯 栗 銘】