王 飛

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴州貴陽550081)

基于Excel-VBA與CATIA的拱壩有限元參數(shù)化建模方法

王 飛

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴州貴陽550081)

由于拱壩的體形越來越復雜,拱壩的建模難度越來越大。利用VBA對Excel進行二次開發(fā),得出CATIA拱壩建模中所需的fog規(guī)則,根據(jù)這些fog規(guī)則直接在CATIA的GSD模塊中生成拱壩上下游拱圈線,快捷高效地建立了雙曲拱壩模型,為此后的拱壩仿真計算節(jié)約了大量的時間。實例表明,Excel-VBA與CATIA的結(jié)合使用,使拱壩精細化建模過程可完全進行模塊化、參數(shù)化處理,為拱壩這種復雜體形的有限元建模提供了便利。

Excel-VBA；CATIA；ANSYS；拱壩；參數(shù)化建模

0 引 言

由于拱壩體形的復雜,建立精細化的拱壩仿真模型的難度越來越大。準確地建立模型是保證拱壩仿真結(jié)果真實有效的必要條件,受到了水利水電工作者的高度重視。通用有限元分析軟件ANSYS因其強大的仿真分析功能受到工程計算人員的青睞[1]。如何快速精細化地在ANSYS中建立拱壩模型,為拱壩的仿真分析計算節(jié)省時間,成為工程人員必須熟練掌握的技能。ANSYS提供了與大型三維軟件CATIA的通信接口,通過該接口直接將CATIA三維模型導入ANSYS中,能夠顯著提高ANSYS的使用效率[2]。實現(xiàn)拱壩的精細化參數(shù)建模,需要大量的模型參數(shù),包括拱圈層數(shù)、拱圈高程、左岸和右岸的曲率半徑、拱冠處及左右岸的拱厚、拱圈中心線方程以及上下游拱圈線方程等。由于其中一些參數(shù)的控制方程復雜,正好利用CATIA強大的fog規(guī)則來創(chuàng)建拱壩模型的上下游拱圈線,以達到精細化建模的需求。使用Excel-VBA程序處理導出各個特征高程CATIA建模所需的fog規(guī)則參數(shù),然后在CATIA中創(chuàng)建fog規(guī)則及相應(yīng)的半中心角參數(shù),直接生成各個特征高程的拱圈線,之后通過ANSYS中的CATIA模型通信接口直接導入,該方法通過VBA程序數(shù)組生成各個特征高程的拱圈線控制方程,具有準確高效的優(yōu)勢,避免了在大量fog規(guī)則推導過程中極易出現(xiàn)的疲勞錯誤,大大地提高了整個建模過程的效率,且易于被工程人員所掌握。

1 Excel-VBA及CATIA簡介

VBA是Visual Basic for Application的縮寫,它是Microsoft面向最終用戶的應(yīng)用軟件編程的自動化語言,可以使常用的程序自動化,但它不能獨立于主應(yīng)用程序運行,必須基于一個主應(yīng)用程序來實現(xiàn)自動化,如Microsoft Excel、Word、AutoCAD等[3]。在Microsoft Excel中,VBA可以實現(xiàn)使重復的任務(wù)自動化,對數(shù)據(jù)進行復雜的操作和分析等,是較好的二次開發(fā)工具。

CATIA軟件是法國Dassault系統(tǒng)公司的產(chǎn)品,目前已在水電工程行業(yè)中有了比較廣泛的影響,其強大的參數(shù)化建模功能為設(shè)計者提供了便利的修改功能[4-5],為設(shè)計者大大地節(jié)省了勞動時間,而且其強大的三維模型處理能力[6]可以直觀的展現(xiàn)出所設(shè)計的產(chǎn)品效果,為設(shè)計者們提供前期的宣傳效果以及決策的依據(jù)。

2 工程實例

2.1 基本資料

某攔河大壩采用雙曲混凝土拱壩,拱圈中心線方程為

左半拱y=Yc-x2/2Rl

右半拱y=Yc-x2/2Rr

拱厚方程為

T=Tc+(Ta-Tc)(1-cosφ)/(1-cosφa)

上下游面拱圈方程為

上游面Yu=y+Tcosφ/2；Xu=x+Tsinφ/2

下游面Yd=y-Tcosφ/2；Xd=x-Tsinφ/2

式中，x、y為拱圈中心線任意位置X、Y方向坐標；Yc為拱冠梁中心Y坐標；Rl、Rr分別為拱冠處左拱及右拱的曲率半徑；φ為拱圈中心線任意位置法線與拱壩中心線的夾角；φa為拱端中心角；T為拱圈任意位置厚度；Tc、Ta分別為拱冠與拱端厚度；Xu、Yu分別為對應(yīng)于拱圈中心線位置(x，y)處的法線方向壩體上游面坐標；Xd、Yd為對應(yīng)于拱圈中心線位置(x，y)處的法線方向壩體下游面坐標。

2.2 實例分析

基于上述拱壩的體形參數(shù)方程,要準確地建立拱壩模型,需要先創(chuàng)建出CATIA參數(shù)化建模所需的fog規(guī)則,由于拱壩拱圈中心線是拋物線方程,拱厚是以半中心角為參數(shù)的指數(shù)方程,拱厚的方程無法以中心線弧長的函數(shù)表示,因此不能采用“平行曲線”工具通過拱圈中心線生成拱圈上、下游邊線。又由于上下游邊線不能表示成半弦長或半中心角的顯示函數(shù),也無法采用“平行曲線”工具通過半弦長或半中心角生成拱圈上下游邊線。經(jīng)過摸索,最終采用“空間曲面相交投影”的辦法,生成拱壩上下游拱圈線。其在CATIA中的具體操作步驟是通過8個fog規(guī)則方程來控制某一個特征高程的上下游拱圈線,且可以直接修改fog中的方程參數(shù)來修改拱壩體形,不需要重新導入新的fog規(guī)則來修改拱壩三維模型,如果整體模型具有N個特征高程,那么在建模前便需要生成8N個fog規(guī)則,由于控制拱圈線的fog規(guī)則參數(shù)多,極易出現(xiàn)編寫錯誤,因此采用VBA數(shù)組直接在EXCEL中生成N個特征高程所需的fog規(guī)則,其特點是高效不易出錯,且便于后期修改,而且可以生成固定的VBA程序模板,以后同類模型建模前可直接重新導入拱壩體形參數(shù)即可快速生成fog規(guī)則。

VBA程序數(shù)組部分代碼如下：

Sub auto()’ Dim heights()As Double

heights=Array(942,954,966,977,988,999,1 010,1 021,1 032)

RL=Array(55.35,61.503 2,68.251 6,74.826 58,81.649 17,88.598 58,95.554 03,102.394 77,109)

Rr=Array(55.25,60.381 6,66.802 8,73.283 37,79.832 29,85.963 98,91.192 87,95.033 4,97)

Yc=Array(96.05,98.362 4,100.137 2,101.228 97,101.750 48,101.645 03,100.855 92,99.326 48,97)

Tc=Array(18.5,17.648,16.604,15.451,14.085 14,12.481 75,10.616 2,8.463 83,6)

……

Fori=21 To 29

Cells(i,1).Value=heights(i-21)

Cells(i,2).Value="xuL=("&RL(i-21)&"*tan(t*"&BL(i-21)&"deg)+"&Tc(i-21)&"/2*sin(t*"&BL(i-21)&"deg))*1 000"

Cells(i,3).Value="yuL=("&Yc(i-21)&"-"&RL(i-21)&"/2*(tan(t*"&BL(i-21)&"deg))**2+"&Tc(i-21)&"/2*cos(t*"&BL(i-21)&"deg))*1 000"

Cells(i,4).Value="xdL=("&RL(i-21)&"*tan(t*"&BL(i-21)&"deg)-"&Tc(i-21)&"/2*sin(t*"&BL(i-21)&"deg))*1 000"

Cells(i,5).Value="ydL=("&Yc(i-21)&"-"&RL(i-21)&"/2*(tan(t*"&BL(i-21)&"deg))**2-"&Tc(i-21)&"/2*cos(t*"&BL(i-21)&"deg))*1 000"

……

Next

圖1 通過VBA數(shù)組控制生成的特征高程fog規(guī)則

End Sub

在Excel中生成的特征高程fog規(guī)則如圖1所示。

2.3 CATIA中生成拱圈線

將Excel中生成的fog規(guī)則導入CATIA中，并分別用GSD模塊中的“平行曲線”工具，在正交的兩個平面(x-φ平面和y-φ平面)上作出x曲線和y曲線。分別拉伸兩條曲線，得到兩個曲面，如圖3所示，兩曲面相交，得空間交線，然后將空間交線投影到特征高程平面上，即得拱圈邊線。CATIA中建立的拱壩模型如圖4所示。

圖2 fog規(guī)則

圖3 相交曲面

圖4 拱壩模型

2.4 ANSYS模型的導入

在CATIA中完成了拱壩的精細化參數(shù)建模,至此通過ANSYS中的CATIA模型通信接口,直接導入CATIA三維模型,導入ANSYS中的拱壩三維模型效果如圖5所示。

圖5 ANSYS中拱壩模型效果

3 結(jié) 論

通過上述工程實例分析發(fā)現(xiàn)，基于Excel-VBA與CATIA的拱壩參數(shù)化建模方法是非常有效的,利用VBA生成CATIA參數(shù)化建模所需的fog規(guī)則,不僅大大提高了工作效率,而且避免了由于大量參數(shù)轉(zhuǎn)換中易出現(xiàn)的疲勞錯誤,另外通過第一個工程實例的VBA程序開發(fā),后期同類工程可直接寫入相應(yīng)的拱壩體形參數(shù)數(shù)組,不必重新編寫VBA程序代碼；CATIA三維軟件GSD模塊在整個拱壩精細參數(shù)化建模過程中也扮演了非常重要的角色,其特點在于：一是CATIA軟件本身的參數(shù)化功能便于隨時對模型的參數(shù)進行修改,不必重新開始整個建模過程；二是GSD模塊中強大的fog曲線繪制功能,結(jié)合CATIA的參數(shù)化設(shè)計,使得整個拱壩模型全參數(shù)化,并可以隨時對其體形參數(shù)進行修改。ANSYS作為大型的有限元計算軟件,在各類工程應(yīng)用中非常廣泛,但傳統(tǒng)的有限元拱壩建模由于軟件本身的屬性問題,往往耗時長,而且創(chuàng)建的模型精度不高,為后續(xù)的有限元網(wǎng)格劃分帶來了諸多不便,且一旦需調(diào)整模型體形參數(shù),就需要重復整個建模過程,本文所述的VBA-CATIA-ANSYS的拱壩精細化建模過程可完全進行模塊化、參數(shù)化處理,為拱壩這種復雜體形的有限元建模提供了便利。

[1]尚曉江, 邱峰, 趙海峰, 等. ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2005．

[2]張濤. ANSYS APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2013．

[3]陳晨. Excel VBA在工程水文計算中的應(yīng)用[J]. 水利水電快報, 2008(S1): 199-202．

[4]余軍, 田永生, 胡燚, 等. 拱壩三維設(shè)計技術(shù)應(yīng)用與研究[J]. 人民黃河, 2013(3): 79-81．

[5]黃艷芳, 呂昌伙, 張玲麗. 大中型水電站地下廠房三維參數(shù)化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用[J]. 人民長江, 2015(1): 46-49．

[6]黃艷芳, 李小帥. CATIA軟件在雙曲拱壩設(shè)計中的應(yīng)用初探[J]. 人民長江, 2009(21): 26-28．

(責任編輯 焦雪梅)

Parametric Modeling of Arch Dam Based on Excel-VBA and CATIA

WANG Fei

(PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081, Guizhou, China)

As the shape of arch dam becomes complicated, the modeling of arch dam is also growing more and more difficult. The secondary development of Excel by making use of VBA to get required fog rules is conducted, in which, the arch rings are directly generated in the GSD module of CATIA on the basis of those fog rules, and finally the double-curvature arch dam model is established quickly and efficiently. It can save a lot of time for next simulation analysis and calculation of arch dam. The case study shows that the parametric modeling of arch dam becomes more convenient and accurate by combining the method of Excel-VBA and CATIA, and facilitates the finite element modeling of complex shape of arch dam．

Excel-VBA; CATIA; ANSYS; arch dam; parametric modeling

2015-12-11

王飛(1988—),男,湖北宜昌人,工程師,碩士,主要從事大體積混凝土溫度應(yīng)力控制及防裂研究．

TV642.4

A

0559-9342(2017)02-0051-03