基于ANSYS Workbench進行水工輔助分析的應用

（湖南澧水工程項目管理有限公司，湖南長沙 410014）

1 傳統設計流程及CAE 迭代設計流程的對比

1.1 相關背景

計算機輔助工程 CAE（Computer Aided Engineering），主要用于模擬分析、驗證和改善設計。在近年來電腦技術及3D、CAD 快速發展的情況下，CAE應用比例越來越高，使用難度也越來越低，使用者數量大幅增長。與CAD 相比，CAE 使用者需要更多物理相關知識來設定條件與解釋結果。至于計算過程所使用到的數學方法，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 年密歇根大學教授Dr.Michanel Grieves 在發表的一篇文章中第一次提出了數字孿生（Digtal Twins）概念。即在虛擬數字空間構建一個可以表征真實空間物理特征的虛擬實體，藉此來實現對物理實體的了解、分析和迭代設計優化。該虛擬實體可與真實實體的整個生命周期聯系在一起。該觀念最早是應用于飛機設計，通過對數字樣機飛機的實時同步，來模擬、進化設計和無圖紙生產。此后，該概念逐步擴展至機械等各領域。目前工程界的BIM（Building Information Modeling）發展就是數字孿生概念的一種另外體現。

三維正向設計從最開始的航空航天、機械設計領域，自2010 年左右逐步邁向建筑領域、土木工程領域，包括水利工程，搭配現在的BIM 化模型，對整個水工設計進行全過程的仿真模擬（靜力分析、流固耦合、溫固耦合分析、抗震動力分析等）的條件日趨成熟，通過數字孿生模型（數字樣機）部分替代物理模型（物理樣機）進行數字虛擬試驗分析，加速迭代設計速度和節省經費。

ANSYS Workbench:是CAE 巨頭ANSYS 公司基于有限元法的工程仿真技術集成平臺，于2002 年首先推出，ANSYS Workbench 不但繼承了ANSYS 經典環境的大部分強大功能，其所提供的CAD 雙向參數鏈接互動、項目數據自動更新機制、全新的參數和無縫集成的優化設計工具等，使ANSYS 在“仿真驅動產品設計”方面達到了前所未有的高度。ANSYS Workbench 真正實現了集成產品設計、仿真、優化功能于一身，可以幫助設計人員在同一個平臺上完成研發過程的所有工作，從而大大縮短了產品開發周期。

1.2 兩種設計流程的對比

傳統的線性設計思維：經驗估算幾何尺寸，力學計算，送專業分析部門進行有限元分析（如有必要），物理模型佐證（大型工程），定型或修改設計，見圖1。

圖1 傳統的線性設計思維

迭代設計思維：經驗估算幾何尺寸，力學計算，制作水工建筑物的數字孿生模型，利用有限元軟件進行輔助仿真分析（大中小型工程均可），根據分析結果，如發現不足，修改模型，迭代前面過程，直至符合要求，最終制作物理模型驗證（大型工程），見圖2。

圖2 迭代設計思維

筆者所在單位為小型的工程咨詢公司，沒有獨立分析部門，嘗試利用相關軟件的學習版本對這個思路進行了實踐，通過這個項目，部分模擬了這個流程，發現完全可行。

2 應用過程

2.1 分析所用項目的介紹和水工尺寸

該項目位于瀏陽市沿溪鎮大光河的中游，距沿溪鎮7 km，瀏陽市區40 km。壩址以上控制流域集雨面積46.11 km2，占整個大光河流域面積的62.1%。

水庫正常蓄水位為190.0 m，設計洪水位為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；總庫容為1 270.5萬m3，死庫容為184 萬m3，防洪庫容為535 萬m3。

壩型選擇為碾壓式混凝土重力壩。

非溢流壩剖面設計：斷面選用上游面直立、下游面傾斜的標準三角形剖面，下游面的邊坡系數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 環境。ANSYS Workbench 的全圖形界面化操作，所見即所得，使有限元輔助設計將如同個人電腦普及一樣，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（獨立個人）使用過渡。

2.3 本項目有限元分析的流程

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

2）模型的簡化及建模。數字孿生模型選取一截壩段（24 m），上下游各取1.5H 長作為計算范圍，基礎取1.5H 深作為計算范圍。采用CAD 軟件進行三維建模，有限元軟件接力共享。雖然有限元軟件有獨立建模模塊DM，但是推薦利用參數化CAD 專業軟件進行專業建模：如Invent，UG，Pro/E，Catia，Solidwork 等。參數化設計對于迭代設計時反復修改模型尺寸是非常有利的，見圖3。

3）邊界條件施加：

①約束簡化及施加。上下游兩面，左右兩面，基礎底面均采用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、揚壓力、淤沙壓力，見圖4。

圖4 荷載的可視化加載

4）計算求解。變形、應變、應力云圖趨勢符合預期假設，排除應力奇異部位，應力值基本吻合材料力學計算成果。應力集中現象不妨礙對壩體幾何尺寸合理性效果驗證的判斷，見圖5。

圖5 模型分析結果云圖

3 結論

1）隨著ANSYS 的Workbench 環境的推出，使有限元從象牙塔走入普通水工設計人員一線，作為一種輔助手段，在進行結構計算的同時可以建立數字孿生模型，同步進行有限元分析，迭代、優化設計，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計手段，結合BIM 三維設計，做到設計-仿真真正的一體化將是趨勢，但前提是掌握深厚的專業理論知識，而不僅僅是軟件操作。

2）建立水工建筑的數字孿生模型時，一定要注意模型的精確、恰當的模擬，邊界條件的精確、恰當的模擬，物理條件的精確、恰當的模擬。只有三個條件都滿足了，建立好的物理世界和數字世界的映射關系，才能發揮CAE 的分析、CAD 的修改作用（本文僅僅是演示流程實現的可行性，模型僅僅選取非溢流壩的一段壩段，且做了一定簡化）。數字孿生模型越細致，將更加貼近實際的邊界條件，但將導致計算時間和難度增加，過去模型簡化的部分原因是計算機資源不足造成的，隨著云計算和個人PC 計算能力的提高，全三維數字模型仿真模擬的環境將更加容易實現。