CAD/CAE技術在鋼閘門數字化設計中的應用

王文武，王正中，趙春龍，翟 超，李 崗

(1.西北農林科技大學旱區寒區水工程安全研究中心，陜西楊凌712100；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710065)

0 引 言

鋼閘門是置于水工建筑物過水孔口的活動擋水結構，其主要作用是控制水位與調節流量。近年來，隨著我國水電資源的開發不斷地向西部邁進，在越來越多高壩建成的同時，與之相配套的鋼閘門也呈現出朝著高水頭、大型化的發展的趨勢，這對鋼閘門在安全性、可靠性和經濟性方面的設計提出了更高的要求[1-2]。

鋼閘門作為一種典型的的空間結構，其設計計算方法國內普遍采用《水利水電工程鋼閘門設計規范》[3](以下簡稱“規范”)推薦的平面容許應力法，該方法計算簡便但未考慮結構的空間效應及自重效應，因而計算結果不能準確反映實際結構的受力狀況[4]。隨著計算機技術的進步，空間結構分析方法得以迅速發展，并廣泛應用于鋼閘門結構的分析計算中[5-7]，其結果更接近鋼閘門工作實況，因而按空間結構的計算方法能最大限度的保證結構安全與經濟的統一。此外，鋼閘門設計一直延續手工計算結合二維繪圖軟件逐線繪制的方式，不僅工作量大、易出錯、修改難，并且設計成果為非結構化數據難以被重復利用。在信息化時代，難以滿足生產高效率、產品高質量的要求。近幾年，隨著數字化、BIM技術在工程建設領域不斷深入應用，為解決上述問題提供了思路與技術支撐，同時也為鋼閘門設計走向三維數字化建設指明了發展方向[8]。因此，為變革傳統設計模式，提升鋼閘門設計水平，采用三維數字化BIM技術結合空間結構分析方法來實現鋼閘門數字化設計具有重要意義。

當前，眾多學者深入探討了鋼閘門的數字化設計[9-12]，這些成果有力推動了鋼閘門設計的發展，但在其實現過程中數據對接、交互過程等方面仍存在一些不足，難以滿足生產高效、功能多樣化的需求，因此亟待進一步深化、系統研究。

本文在現有研究工作的基礎上，結合鋼閘門生產設計過程，將CAD/CAE技術及優化設計理念用于鋼閘門設計工作中，探索鋼閘門數字化設計的新方法，并通過工程實例加以驗證說明。該成果可為相關結構工程數字化設計提供技術參考。

1 鋼閘門數字化設計方法

鋼閘門數字化設計的實現應借助數字化的平臺。CATIA是一款造型功能十分強大的CAD(Computer Aided Design)軟件，參數化建模及出圖能力優異，較契合金屬結構專業的特點。ANSYS作為CAE(Computer Aided Engineering)分析中的通用軟件，功能強大、計算速度快，并且支持參數化語言。為利用兩者在各自領域的優勢，在本文提出的鋼閘門數字化設計方法中以CATIA作為建模軟件，ANSYS作為工程分析軟件。

傳統鋼閘門設計中基本經歷了資料收集與分析、閘門的選型與布置、閘門門體及零部件設計計算、圖紙繪制等過程，而鋼閘門數字化設計是在繼承以上傳統設計思路的基礎上，將CAD數字化模型與CAE工程分析功能融入，形成了一個新的完整設計系統，從而實現了計算方法與出圖方式的實質性轉變。

1.1 數字化設計系統組成

根據鋼閘門的構造特征及設計基本要求，探索形成了一套技術可行，使用方便、高效的鋼閘門數字化設計系統，其組成如圖1所示。

圖1 鋼閘門數字化設計系統組成架構

在鋼閘門數字化設計系統中，將鋼閘門看作由主體結構與零部件組成的一個完整結構。主體結構包括面板、主次梁、邊梁、聯結系等主要承載構件。零部件如止水、主輪、滑塊、吊耳等，作為主體結構的附屬物，不參與承載只配合主體結構完成預定的功能。

結構設計是數字化設計的前期工作，主要任務是依據規范結合設計經驗完成鋼閘門門體布置及主體結構、零部件的初設，為后期三維參數化模型的建立提供依據。主體結構參數化模型是整個設計系統核心，它既是工程分析及優化的對象，又需要與零部件參數化模型裝配形成鋼閘門整體模型。在CAD平臺其建立方式可通過調用及調整鋼閘門標準模板數據庫中的模板實現，也可采用直接建模的方式逐步完成。零部件參數化模型大多是標準件或系列件，故可直接調用模板數據庫中對應的系列配合使用。

在主體模型建立的基礎上，利用模型轉換技術將其幾何模型轉換為有限元模型，可避免CAE分析二次重復建模工作。通過仿真結果與規范允許值比較，既可實現結構校核的目的，也可為進一步優化提供準則。結構優化即通過調整主體結構模型的布置、尺寸、屬性配置等參數，實現各構件空間布置位置、尺寸關系、材料屬性、甚至形式的改變，達到提高設計產品性能并降低投資成本的目的。在該系統中，如果出現產品整體或局部的力學特性不能滿足規范要求，或結構雖滿足要求但材料的利用程度較低的情況，則須修改模型控制參數，再次進行工程分析，直至得到受力更加合理、經濟最優的門型結構為止。在主體結構定型之后，要使設計的鋼閘門發揮靈活調度及調蓄控水的作用，還需利用標準模板數據庫裝配必要的零部件，組成完整的鋼閘門結構。在三維CAD整體模型基礎上投影創建關聯的二維工程施工圖紙，完成設計出圖任務。

簡言之，鋼閘門數字化設計是在產品初步設計的基礎上進行有限元分析，并以分析結果反饋指導修改設計，最終完成產品定型的過程，這個過程的實現其關鍵在于CAD/CAE技術的合理運用。

1.2 CAD建模技術

1.2.1參數化關聯設計及參數管理

參數化設計是三維設計的靈魂，也是設計思想的集成體現，其實質是一種解決設計約束問題的數學方法，通過參數把設計圖元過程中需要的數字信息相關聯，修改參數即可實現模型驅動等功能，極大提高了模型生成及修改速度，因而在產品系列設計、相似設計及優化設計中具有很高的應用價值。在CATIA中可以通過直接修改系統參數、用戶參數或采用公式、設計表、規則等方法間接修改參數，以達到驅動模型改變的目的。

鋼閘門組成幾何要素多且關系復雜，每一個基本構件特征都可以產生一系列參數，大量的參數難以識別及管理。為此，一方面結合各構件優化設計的意圖，減少設計無關參數，進而減少參數總量；另一方面按照閘門的功能特性及裝配級別進行規范化命名，并創建對應的參數管理表。

1.2.2骨架關聯設計思路

鋼閘門多數為焊接件，一般為制造加工方便其構件布置有一定的規律，故比較適合以軸網作為模型骨架。利用軸網通過發布定位點、線及面的方式實現模型搭建，這種方式優勢在于可通過軸網參數來統一快速實現修改鋼閘門的結構布置，控制鋼閘門的總體尺寸及梁系布局，亦非常符合設計者的設計思路，使設計工作者可以更加專注于結構形式的布置及優化。圖2為基于軸網骨架建立的鋼閘門門葉結構實體模型，軸網間距代表各構件的布置幾何關系。

圖2 基于軸網建立的鋼閘門門葉結構模型

1.2.3鋼閘門標準模板

模板是將一些已經運用成熟的智能知識如技術經驗、邏輯關系、模型特征等封裝打包，只留出一些輸入條件作為調用接口，便可快速實現對已有模型的引用，該過程就像是針對三維模型的“復制”與“粘貼”。模板的應用可以大幅度減少重復的工作量，縮短產品的設計周期，因此創建并完善標準模板庫至關重要。

這里將模板按裝配級別分為零件模板、部件模板及裝配模板三類。零件模板作為底層模板，其建立采用面向對象的設計，以面板、主梁、次梁、隔板等分別作為獨立基礎類型進行統計歸納，結合參數化設計形成以超級副本或用戶特征形式出現的通用的模板類型或系列模型。部件模板是在零件模板基礎上形成的，以門葉節為單元。由于安裝制造的需要及運輸條件的限制，通常都會將鋼閘門進行分節設計制造，每節的空間構型及大小基本保持一致，因此以門葉節為單元搭建鋼閘門效率更高。裝配模板是以鋼閘門結構為單元，主要是考慮到常用鋼閘門類型的相似性，以及為實現項目成果的再次利用的目的而建立，建模效率最高。

在鋼閘門的建模過程中，以上三級模板(見圖3)可根據實際需求，按匹配度最高的原則，選擇使用。

1.3 CAD/CAE模型轉換技術

在鋼閘門CAD模型已建立的情況下，為了提高CAE計算分析效率，避免重復的建模工作，應實現三維實體模型向有限元模型的轉化。一般大型通用有限元分析軟件都預留了幾何模型導入的數據接口，可以直接進行數據的交互。考慮到鋼閘門大部分構件是由薄壁鋼板經焊接組合而成，其厚度方向的尺寸遠比其他兩個方向的尺寸小得多，為平衡計算速度與精度之間的相互制約關系，需要將實體模型轉換為曲面模型，再劃分成相應的板殼單元進行有限元分析，利用殼單元實現模擬中等厚度結構。

圖3 平面鋼閘門標準模板示例

三維實體模型轉換為三維曲面模型的關鍵點在抽取中面的過程，此步驟可以借助專業的有限元前處理軟件Hypermesh完成。一般抽取的曲面為每一薄板的中性層，抽取中面后為了保證相鄰中面之間保持原有模型的拓撲連接關系，必須進行拓撲連接關系處理，以形成一個完整連續的三維曲面模型。在此曲面模型基礎上，利用該軟件進行網格控制操作及劃分，形成高質量網格后，便可輸出。

1.4 CAE工程分析技術

利用三維建模及轉換技術快速建立有限元模型后，使用有限元分析軟件ANSYS對鋼閘門門葉主體結構模型進行多工況力學分析，以確定鋼閘門各工況下的受力狀態，其計算結果可對鋼閘門初設正確性進行驗證，也有助于找出前期設計中的不足之處，為后期的結構優化提供修改依據，保證結構設計更加安全可靠。

ANSYS求解分析其邊界條件的設定非常重要。這里的邊界條件主要包括約束及荷載，在結構分析中的約束一般為位移約束，荷載主要為集中荷載(吊點力)、表面荷載(水壓力)、體荷載(重力)等，其施加的方式、位置及大小應最大程度地接近真實的受力狀態。為方便準確定義邊界條件，可先將模型分為不同類型組件，在施加約束或荷載時直接選取。在確定分析類型并設置求解控制選項后，便可計算求解。計算完成后，進入到后處理模塊，按需查看整體或局部的計算結果。

2 工程應用

2.1 幾何模型與有限元模型

以西部某大型水電站工程機組進水口快速閘門數字化設計為例，已知其鋼閘門形式為平面滑動閘門，底坎高程2 690.0 m，設計高水位2 715.0 m，孔口性質為潛孔式，孔口尺寸為9.0 m×10.0 m(寬×高，下同)，止水尺寸為9.15 m×10.1 m，支撐跨距為9.6 m，水容重取10.0 kN/m3，操作方式為動水閉門、靜水啟門。

首先，依據規范采用容許應力法進行初步計算，結合設計經驗完成鋼閘門門體結構形式選擇、構件計算與布置、材料的選用等，主要構件選材及尺寸規格見表1。

表1 平面鋼閘門主要構件初選幾何尺寸

其次，基于CATIA軟件平臺進行鋼閘門三維參數化模型的建立。建模時以mm為單位(統一為mm-kg-s單位制)，采用右手笛卡爾坐標系，取X向為閘門跨度方向，Y向為水流方向，Z向為閘門高度方向。由于平面鋼閘門標準模板數據庫樣本有限，因此對此項目只能在零件模板的基礎上逐步搭建，形成參數化模型見圖4a。

然后，還需將鋼閘門幾何模型轉化為有限元模型。利用Hypermesh軟件對鋼閘門幾何模型進行中面的提取、整合拓撲關系及網格的劃分，形成由四邊形構成的較為精細的169 082個SHELL 181單元，且均通過網格質量檢查。

最后，對完全關閉工況下鋼閘門主體結構有限元模型進行設計高水位狀態下的靜力分析。計算荷載主要考慮作用于閘門上的靜水壓力及閘門自重，其中，設計水頭25.0 m，重力加速度取10.0 m/s2。門體在完全關閉擋水時，其門葉底緣受底坎Z向的位移約束，邊梁滑塊部位受Y向支撐約束，同時為保證不發生側向位移，閘門對稱部分施加X向位移約束。為簡化計算，忽略材料性能間差異，取鋼材的彈性模量均為2.06×105MPa，泊松比為0.25，密度為7 850 kg/m3。

圖4 閘門整體模型及其靜力分析結果

2.2 有限元結果與分析

經有限元計算分析，閘門主體結構在關閉擋水工況下，閘門整體的變形情況及應力分布見圖4b，c，面板、主梁、水平次梁的靜力特性其結果見表2。

表2 閘門主要構件的靜力計算結果

依據規范對主要構件進行強度、剛度的校核。在對鋼閘門進行強度驗算時，首先應確定材料的允許應力，其值與鋼板的厚度有直接關系。另外考慮閘門的重要程度及運行條件，在構件允許應力計算時，一般乘以[0.9，0.95]調整系數，結合該項目具體情況，取值為0.9。面板本身在局部彎曲的同時還隨梁系受整體彎曲的作用，因此還應當乘以彈塑性調整系數，b/a>3，取1.4；b/a≤3，取1.5。

采用第四強度理論對鋼閘門的強度進行驗算，只有等效應力小于構件的允許應力才能滿足強度的要求。由表2得：在閘門主要的受力構件中面板的應力值最大，為172.8 MPa，小于允許值270 MPa；主、次梁應力變化規律較為一致，最大應力均出現在梁的跨中部位，從上部到底部有增大趨勢，峰值為142.5 MPa，小于220 MPa。由于支撐約束的施加，在支撐部位出現了局部的應力集中現象，但其高應力尚未超過材料允許值，故整個閘門結構的應力未超過構件的允許應力，鋼閘門滿足強度要求。

依據規范規定，對于潛孔式閘門，其主梁的最大撓度與計算跨度的比值不應超過1/750，次梁不應超過1/250。由圖4b及表2可知：閘門結構整體的變形沿中心對稱，發生最大位移的構件為面板，其峰值位于閘門底緣中心部位，為9.5 mm；主、次梁隨著作用水頭的增大，其變形也逐漸增大，但均未超過其允許值12.8 mm，因此鋼閘門結構滿足剛度的要求。

2.3 結構優化

從以上的分析可知，該閘門的初步設計已經符合相關規范的要求，且具有較大的安全富裕度。為了達到運行安全、經濟最優的設計目標，可通過修改屬性參數及尺寸參數來調整閘門整體梁系布局及某些構件的尺寸，從而實現對結構的整體優化。參數化的幾何建模方式結合參數化命令流的分析模式，使得調整再分析工作操作簡單方便。經過幾次梁系布置與形式調整，得到優化后的閘門整體結構模型如圖5a所示，其變形情況及應力分布如下圖5b，c所示，為與圖4c形成對比，將應力云圖色帶度量范圍統一化。

從靜力分析結果來看，優化后的模型應力分布、變形規律與優化前的模型基本一致，但其峰值應力有所增大，最大位移也略有增長，但都在構件允許的范圍內，因此鋼閘門的強度、剛度仍然滿足規范的要求；從材料的利用程度來看，優化后鋼閘門整體質量降低270 kg，提高了材料的利用率，降低了起吊容量，節省了投資。

圖5 優化后的閘門整體模型及其靜力分析結果

3 結 論

針對鋼閘門傳統設計工作中存在的設計方法不夠合理、設計工作任務量大、設計與工程數字化建設需求脫節等問題，提出了一套鋼閘門數字化設計的方法。

(1)依托CATIA軟件對鋼閘門骨架設計思路、參數化設計、鋼閘門標準模板設計等內容進行了詳細闡述，為鋼閘門數字化設計過程中實現參數化、標準化快速建設奠定了基礎。

(2)通過中間軟件工具Hypermesh軟件將CAD實體模型轉換為CAE曲面模型，再劃分成板殼單元進行有限元分析計算，實現了鋼閘門數字化設計過程中的CAD/CAE設計計算一體化，有效解決了設計模型和計算模型的銜接過渡問題。

(3)結合某大型平面鋼閘門設計工作，對鋼閘門三維參數化建模、有限元模型轉換、結構計算及優化等數字化設計主要內容進行了闡述，對于鋼閘門設計人員應用數字化手段進行設計有一定參考價值。