張凱

摘 要：本文通過在Catia參數(shù)化模板中內(nèi)置有限元計(jì)算的需求元素的方式，解決了岔管BIM實(shí)施過程中數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)共享的問題，實(shí)現(xiàn)了BIM模型與有限元分析的幾何信息共享；進(jìn)而通過在Ansys Workbench平臺中根據(jù)實(shí)際分析需求定制分析流程，實(shí)現(xiàn)了月牙肋岔管有限元分析與Caita模型的參數(shù)化聯(lián)動(dòng)，有效降低了岔管有限元分析的工作量，為月牙肋岔管BIM模型的深入應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù) Catia 有限單元法 Ansys Workbench

1.前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，BIM技術(shù)在水利水電工程中的作用正逐步凸顯。2019年發(fā)布的《水利水電工程勘測設(shè)計(jì)BIM實(shí)施指南》對水利水電行業(yè)BIM應(yīng)用做了全面的論述，指出了BIM是工程設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。目前，水利水電工程中BIM應(yīng)用在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用已全面開展、施工階段應(yīng)用正逐步推進(jìn)。

岔管作為水利水電工程的重要組成部分，常見于泵站、電站等的輸水系統(tǒng)中。月牙肋岔管相對其他岔管體型具有受力明確合理、水流流態(tài)好等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多；但月牙肋岔管體型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)計(jì)算較為繁瑣，設(shè)計(jì)效率較低，為解決岔管設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)。何新紅、伍鶴皋等基于CATIA開發(fā)了月牙肋岔管三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，齊文強(qiáng)，鄒柏青等介紹了一套基于CATIA的三維設(shè)計(jì)方法，基本解決了岔管建模出圖的問題，但岔管結(jié)構(gòu)分析仍存在分析模型建立困難，效率低的問題。本文對BIM模型全生命周期應(yīng)用中如何實(shí)現(xiàn)有限元模型與BIM模型的聯(lián)動(dòng)、提高結(jié)構(gòu)分析效率進(jìn)行了研究，在我院BIM實(shí)施的總體框架下，通過研究軟件之間數(shù)據(jù)接口、定制有限元分析流程，實(shí)現(xiàn)了月牙肋岔管設(shè)計(jì)過程中模型的由BIM軟件向設(shè)計(jì)軟件的流轉(zhuǎn)問題，提高了岔管的結(jié)構(gòu)分析效率。

2. 有限元分析模板制作流程

2.1 BIM模型重構(gòu)

BIM模型通過數(shù)學(xué)信息技術(shù)反映建筑物所具有的真實(shí)信息，其準(zhǔn)確的表達(dá)了建筑的三維幾何形狀等信息，在項(xiàng)目全生命周期信息化管理方面起到了重要作用。在岔管BIM應(yīng)用方面，伍鶴皋、齊文強(qiáng)、何新紅等對如何利用CATIA參數(shù)化功能快速生成月牙肋鋼岔管三維模型進(jìn)行了詳盡的敘述。BIM模型采用實(shí)體進(jìn)行建模，包含了主岔管、支錐管、肋板、導(dǎo)流板實(shí)體對象，進(jìn)而在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)岔管的出圖、算量等應(yīng)用。然而在有限元分析時(shí)，工程師需要根據(jù)工程特點(diǎn)對模型進(jìn)行特殊處理，如果直接采用常規(guī)BIM模型進(jìn)行有限元分析，會導(dǎo)致前處理工作量繁瑣，嚴(yán)重影響分析計(jì)算效率。通常情況下，有限元分析模型需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)BIM設(shè)計(jì)成果在有限元軟件中手工建立相應(yīng)模型。

結(jié)合岔管的受力特點(diǎn)，通常情況下在設(shè)計(jì)過程中錐管管壁采用殼單元進(jìn)行模擬，肋板采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，圍巖作用彈抗系數(shù)法模擬，這就要求BIM模型包含錐體的中間面，以及肋板的三維實(shí)體。在需求明確后對岔管的標(biāo)準(zhǔn)模板庫進(jìn)行了完善，在BIM模型中增加了岔管中面以及肋板的三維實(shí)體，形成如圖1所示模型，進(jìn)而通過Ansys Workbench軟件與Catia軟件的接口實(shí)現(xiàn)幾何元素的共享。

2.2 有限元模型建立

Ansys Workbench軟件具有較好的參數(shù)化能力，在輸入幾何元素發(fā)生改變后軟件可以根據(jù)模板定制的分析流程快速對結(jié)果進(jìn)行更新。本文基于該平臺定制了岔管的有限元分析模板，包含了正常運(yùn)行、校核等常見工況；在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員可以通過拖拽的方式創(chuàng)建新工況，然后調(diào)整相應(yīng)荷載大小點(diǎn)擊更新即可快速完成新工況的分析計(jì)算。

有限元模型的創(chuàng)建包括網(wǎng)格劃分、邊界條件施加等，通過Ansys Workbench提供的參數(shù)化功能通過定義規(guī)則來實(shí)現(xiàn)，模板定制的具體操作過程這里不再詳細(xì)介紹，但應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。

截?cái)噙吔纾耗Ｐ偷慕財(cái)噙吔缫缶嚯x岔管不少于一倍的公切球直徑，靠近岔管（管徑范圍內(nèi)）管節(jié)要求模擬其體型。遠(yuǎn)離岔管核心區(qū)域的鋼管端部采用全約束邊界條件。

網(wǎng)格劃分：由于壓力鋼管相對較薄，鑒于目前的計(jì)算機(jī)資源使用實(shí)體單元模擬難度較大，通常情況下在有限元計(jì)算中使用殼單元來模擬。肋板對平面外應(yīng)力有一定要求，在計(jì)算過程中使用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。由于模型中同時(shí)存在殼單元和實(shí)體單元，在設(shè)置單元大小時(shí)候應(yīng)充分考慮管壁厚度與殼單元大小，應(yīng)滿足殼單元的薄殼假設(shè)，盡量避免剪切自鎖現(xiàn)象。

內(nèi)水壓力：內(nèi)水壓力作用施加較為簡單，使用軟件提供的水壓力進(jìn)行施加即可，施加過程中。

圍巖作用：圍巖約束條件采用圍巖彈性抗力系數(shù)來模擬。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上對應(yīng)的接觸剛度為k=f×A式中，f為圍巖彈性抗力系數(shù)；A為節(jié)點(diǎn)的特征面積。由于有限元網(wǎng)格在離散過程中不能保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的代表的面積完全相同且各個(gè)接觸單元的方向不同，圍巖約束條件手動(dòng)施加實(shí)現(xiàn)難度較大，使用ANSYS APDL編程語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)圍巖約束條件的施加。

3.工程實(shí)例驗(yàn)證

本文以石埡子水電站地下埋藏式岔管為例對上述流程的計(jì)算精度進(jìn)行了驗(yàn)證。石埡子水電站壓力鋼管由直徑為5.7m的主管經(jīng)對稱Y型月牙肋岔管后（公切球6.3m，分岔角65o）分岔為兩條直徑3.9m的支管平行進(jìn)入廠房。結(jié)合石埡子水電站岔管設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況，分別對正常運(yùn)行、校核進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)工程實(shí)際資料，岔管位于II類圍巖中，圍巖彈性抗力系數(shù)采用75MPa/cm；設(shè)計(jì)和校核內(nèi)水水頭分別按照135m和165.88m進(jìn)行取值，設(shè)計(jì)工況和校核工況的計(jì)算結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

從計(jì)算結(jié)果來看，在正常運(yùn)行工況下，岔管的應(yīng)力分布于實(shí)際情況基本一致，計(jì)算結(jié)果小于常規(guī)計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算結(jié)果。在校核工況考慮圍巖分擔(dān)的情況下，有限元計(jì)算結(jié)果明顯小于結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算結(jié)果，圍巖分擔(dān)作用明顯。

通過工程實(shí)例驗(yàn)證可知：①本文給出的技術(shù)路線的計(jì)算精度能夠滿足設(shè)計(jì)工作需要；②結(jié)構(gòu)體型調(diào)整后，通過幾何信息共享可以快速給出有限元分析結(jié)果，解決了岔管設(shè)計(jì)過程中方案調(diào)整效率低的問題；③由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算將圍巖計(jì)算簡單的處理為內(nèi)水水頭折減且無明確的計(jì)算方法，折減系數(shù)取值往往比較保守，采用有限元計(jì)算后能夠?yàn)椴砉茉O(shè)計(jì)提供更為精確的計(jì)算結(jié)果，為設(shè)計(jì)方案優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

4.結(jié)論

本文以Catia軟件作為BIM的基礎(chǔ)平臺，結(jié)合Ansys Workbench軟件對月牙肋岔管的快速計(jì)算分析進(jìn)行了研究。在實(shí)施過程中根據(jù)有限元計(jì)算需求對已有標(biāo)準(zhǔn)化月牙肋參數(shù)化模板進(jìn)行了調(diào)整，通過固化有限元分析流程基于Ansys Workbench平臺實(shí)現(xiàn)了岔管多工況的一鍵計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了有限元計(jì)算與BIM建模的數(shù)據(jù)源統(tǒng)一和有限元計(jì)算結(jié)果的自動(dòng)更新。本文給出的實(shí)現(xiàn)路徑簡單，在后期應(yīng)用過程中對設(shè)計(jì)人員能力要求低，在工程技術(shù)人員中推廣較為容易，可以為類似工程的BIM實(shí)施提供參考。

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