基于CAD/CAE的泵站裝置流固耦合數值仿真

謝偉 陳堅

摘 要：使用鋼制流道的軸流泵站方案，具有施工方便、不易開裂、使用壽命長等優點，然其復雜水力條件引起的鋼制薄壁結構流激振動問題亟待解決。在解決這一類問題時，流固耦合數值仿真計算中CAD和CAE兩大技術通常獨立應用，造成了其過程效率較低、成本較高、周期較長等。引入CAD/CAE一體化系統，實現泵站鋼制流道仿真模擬的精準建模，并利用CAD/CAE交互接口進行鋼制流道結構優化初步實踐。結果表明，CAD/CAE一體化系統實現了水利水電工程中特定流固耦合數值仿真問題的精準建模和快速優化設計，大大提高了水利水電工程中設計—分析—優化過程的效率。

關鍵詞：鋼制流道;軸流泵站;流固耦合;CAD/CAE一體化;精準建模;結構優化

中圖分類號：TV675;TV332.4 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.022

引用格式：謝偉，陳堅.基于CAD/CAE的泵站裝置流固耦合數值仿真[J].人民黃河，2021，43（10）：114-118.

Abstract： The novel axial-flow pumping station scheme with steel-made runner comparatively has shown many edges such as its convenient construction， crack-proof performance， and long service life. However， the vibration of the structure caused by hydraulic excitation is of great concern and worthy of investigation. In solving this kind of problem， numerical simulation through fluid-structure interaction analysis is a trendy research topic. However， the CAD and CAE technologies are usually applied independently， making the process inefficient， long-term and high-cost. With a CAD/CAE integration system applied in this paper， a precise simulation model was established and applied for the preliminary practice of structural optimization through the CAD/CAE interactive interface. The results turn out that the precise modeling and rapid optimization design of specific problems in hydraulic and hydroelectric engineering projects are realized and the efficiency of the iterative design-analysis-optimization process is greatly improved， which helps provide a feasible and efficient analysis method for the optimization design for hydraulic and hydroelectric engineering projects.

Key words： steel-made flow passage; axial-flow pumping station; fluid-structure interaction; CAD/CAE integration; precise modeling; structural optimization

為了保證流道水面線形流暢且盡可能減小過水阻力，常規軸流泵站采用混凝土流道，但混凝土流道施工要求尤為嚴格，施工難度大，且漸變的異型鋼筋綁扎與安裝困難，因此使用鋼制流道的軸流泵站方案被采用。鋼制流道方案具有施工簡便、不易產生裂縫、泵站裝置安裝方便等優點，但復雜的水力條件引起鋼制薄壁結構的流激振動及疲勞破壞[1]等問題亟待解決。涉及學科交叉的流固耦合研究已逐漸成為解決這一問題的熱點。

隨著CFD流體動力學研究的不斷完善，對泵站內部流場的仿真模擬及流固耦合研究的要求和需求越來越高[2-4]。然而流固耦合分析過程煩瑣、難度大，且CAD、CAE系統間數據的單向傳遞性使得流固耦合研究難以實現精準數值仿真及設計—分析—優化的全過程閉合循環。近年來，實現CAD、CAE平臺之間數據雙向傳遞、無縫連接的CAD/CAE一體化技術已逐漸成為工程界的一個熱點研究方向[5-8]。

本文結合某鋼制流道軸流泵站項目，基于以CATIA為主的CAD軟件與結構分析軟件ANSYS的交互式接口CAPRI[9]，以ANSYS Workbench為主要CAE平臺，引入CAD/CAE一體化技術，進行精準建模和流固耦合分析，并通過參數變動快速實現計算模型的改進，進行結構優化初步實踐，為水利水電領域中某些復雜有限元優化分析提供一種可行、便捷的研究方法。

1 流固耦合理論

流固耦合的本質是研究固體變形對流場影響以及流體對可變形固體影響，其建立在計算流體力學、固體力學的理論基礎上。控制方程為

流體運動需要遵循水力學客觀規律，即質量、動量、能量三大守恒定律，而相應的控制方程是其在數學上的體現。

本文泵站項目中流體的流動滿足上述基本守恒規律，流體瞬時運動可用Navier-Stokes[10]方程（直角坐標系中采用張量形式）加以描述：

2 CAD/CAE一體化方法

CAD/CAE一體化技術以CATIA為主要CAD平臺、以ANSYS Workbench為主要CAE平臺，本文結合兩者之間的交互式接口CAPRI技術進行流固耦合分析，并通過參數變動快速實現計算模型的改進，進行結構優化初步實踐。特別地，通過使用ANSYS Workbench中關鍵的參數管理器（Parameter Manager）增強設計迭代，以及應用智能更新設計方案的功能，在調整參數后可選定更新零件而不是整個裝配體，即進行局部更新，有利于充分發揮CATIA的裝配優點，大大提高分析效率。

分析流程：在CAD平臺CATIA中進行參數化建模并設置參數，通過無縫連接的CAPRI接口，將攜帶參數P的精準模型導入ANSYS Workbench（WB）中用于有限元分析，若設計結果較為滿意則結束，否則基于Parameter Manager（PM），通過調整獲得新的參數P，采用CAPRI接口無縫、智能更新模型，如此循環（見圖1）。本文結合某泵站項目，基于CAD/CAE一體化技術進行了流固耦合分析實踐，見圖2。

3 模型建立

3.1 幾何模型建立

本文將機械制造領域的葉片設計軟件Bladegen加入到建模過程中[12]，使得葉片設計參數化，水力條件較好，且無須建立三維點坐標，無須進行樣條曲線放樣、修正等，也無須進行大量的數據計算、處理，從而提高效率。在CATIA中，先對水泵裝置進行裝配，通過添加約束，使各部件在裝配關系上完美貼合，如圖3所示。本文鋼制流道泵站結構采用S形流道。基于CATIA強大的曲面設計以及裝配能力最大化，精細地仿真了泵站流道，其材料參數見表1，最終裝配圖如圖4所示。

3.2 有限元模型建立

傳統流固耦合分析前處理方法需在建模軟件中建立水體-結構的耦合模型，而借助航空航天行業的專業前處理軟件ICEM CFD，無須建立水體模型，通過提取中面后即可建立體網格生成水體，大大縮短了相關研究中復雜的建模時間，且解決了傳統流固耦合分析計算中水體建立困難以及水體與復雜流道之間難以完美匹配的問題，使得短時間修改模型成為可能。水體網格采用八叉樹算法，基于拓撲結構生成全四面體網格，精細加密葉片旋轉區域的網格，并分5層加密了邊界層網格，在軟件中實現跨尺度網格劃分。拓撲結構、網格如圖5、圖6所示。裝配后的模型網格共有270 606個節點、1 559 101個單元，自由度為百萬級，滿足流體對網格高精度的需要，仿真更為精細化，生成速度約為每秒1 500個單元，具有較高的網格劃分效率。

4 流固耦合分析計算

通過對新型鋼制流道（管壁厚度為1.2 cm）泵站進行流道內流場模擬和流固耦合分析，研究流道水力特性、振動響應以及疲勞破壞情況，從而實現對泵站鋼制流道的安全性評價。

流道縱斷面靜壓、速度矢量如圖7、圖8所示，流速空間矢量如圖9所示。

分析可知，進、出管段靜壓分布較均勻，符合項目資料（入口、出口淹沒水頭分別為4.75、3.68 m）;在彎肘管處，靜壓減小，動壓增大;在轉輪處靜壓繼續減小，動壓繼續增大;固定導葉附近水流受動靜干涉的影響，流態復雜，出現了較小的局部壓力集中區。因此，從水力學特性的角度分析，鋼制流道的設計較為合理。然而對于導葉處、出口管段底部出現的旋渦，需要做好局部空化、空蝕保護措施。另外，通過調整導葉數量、形態，優化彎肘管設計等措施取得最優的流態分布值得進一步研究。

管壁總變形圖、等效應力圖如圖10、圖11所示。分析可知，進水管頂部的中心出現了應力集中現象，中心的等效應力約為130 MPa，而最大等效應力為183 MPa，出現在進口管頂部的端部，均滿足強度要求，而最大總變形值出現在進水管頂部中心，約為6.97 mm，剛度略顯不足，可加設環向肋板。特別地，對于進水管頂部的中心和端部位置、出水管段頂部中心出現的應力集中現象，最大應力遠小于鋼材屈服強度，鋼制流道設計較為合理，但仍需注意水力激勵引起的疲勞破壞問題。

因疲勞分析中，S—N曲線（應力幅與循環次數關系曲線）與材料表面狀態、幾何形狀、焊接形式等因素有關，故需要經過嚴格試驗得到較準確的結果。本文通過ANSYS Workbench下的Fatigue Tool，基于表2所列材料交變應力與循環次數關系進行簡單的流道疲勞分析（此類為高周疲勞問題），施加脈動循環作用力，疲勞強度因子取0.8，疲勞分析安全系數最大為15，最大安全壽命設定為循環1×106次。疲勞分析安全系數分布云圖如圖12所示。對于圖12中顯示的疲勞安全系數較低的區域，如進口段頂部、彎肘管拐彎處、出口擴散段，建議提升加工質量以改善表面狀態、減小內部缺陷，設計時可采用降載設計、大圓角設計等措施改善應力集中現象，以提升抗疲勞性能。

5 設計優化實踐

本文基于CATIA與ANSYS Workbench之間的CAPRI接口，實現CAD/CAE一體化，對流道振動響應進行簡單優化分析。不考慮多目標優化問題，僅通過在CATIA中預先設定流道管壁厚度為攜帶參數，調整該參數，快速得到n組管厚方案，實現管厚方案比選的快速設計-分析-優化過程，且操作十分簡單，這是傳統CAD、CAE相互獨立運行難以實現的。

例如：管壁厚度調整為3 cm時，管壁總變形如圖13所示，管厚與最大振動響應關系如圖14所示。可見，隨著管厚的增大，最大總變形值、最大等效應力值明顯減小，然而考慮成本、工藝等因素，需要進行多目標的優化設計。

6 結 論

（1）本文通過引入CAD/CAE一體化技術，為水利水電工程中特定的復雜數值仿真問題精準建模、快速優化分析提供了一種高效、可行的方法。

（2）基于參數化建模技術、跨尺度網格劃分技術，建立了計算自由度達百萬級的高精度計算模型，為水利工程中的精準仿真分析提供一種新的設計思路和分析方法。

（3）疲勞分析未充分考慮鋼材的表面狀態、幾何形狀、焊接形式等因素，需要通過試驗研究進一步獲得更準確的疲勞分析結果。此外，針對相關優化問題，為了獲得最終優化結果，建議進一步進行多參數、多目標優化研究。

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【責任編輯 張華巖】