弧形閘門結構性能的ＢＩＭ＋ＣＡＥ 有限元計算分析

孫少楠 張瑞捷 肖佳華 張志恒 馬奔

摘 要：針對弧形閘門結構復雜、節點信息混亂等問題，提出ＢＩＭ＋ＣＡＥ 有限元技術對弧形閘門結構性能進行分析。以實驗室弧形閘門模型為例，采用ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ 構建ＢＩＭ 模型，介紹ＢＩＭ 平臺與ＣＡＥ 平臺數據交互方法，利用ＢＩＭ 技術碰撞檢測、數據更新功能對模型進行調整，將ＢＩＭ 模型導入Ａｎｓｙｓ－Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，模擬不同開度下溢洪道水流流態和弧形閘門受力情況。ＣＡＥ 有限元分析結果顯示，溢洪道過閘流量數值模擬值與理論計算值相比，誤差小于４．００％，驗證仿真結果合理可靠。閘門等效應力和變形隨開度增加整體呈非線性減小趨勢。此外，通過軟件顯示功能導入應力云圖以及添加ＢＩＭ 模型關鍵節點水力信息，可實現ＢＩＭ 平臺與ＣＡＥ平臺在弧形閘門性能分析中的二次應用。

關鍵詞：弧形閘門；結構性能；ＢＩＭ；ＣＡＥ 有限元；數據交互

中圖分類號：ＴＶ６６３＋ ．２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２１

引用格式：孫少楠，張瑞捷，肖佳華，等．弧形閘門結構性能的ＢＩＭ＋ＣＡＥ 有限元計算分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１１８－１２１，１２５．

ＢＩＭ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ） 技術在可視化、信息集成、信息共享方面具有其他工作模式不具備的優勢，其在房建和路橋建設方面已經得到廣泛應用［１］ 。例如：茅建校等［２］ 基于Ｒｅｖｉｔ 二次開發程序插件，提出了橋梁信息模型監測數據可視化方法，該方法中ＲＧＢ 色彩映射關系可反映橋梁結構狀態；劉金典等［３］ 提出將ＢＩＭ 技術應用于激光掃描裝配式建筑質量控制和體系建造。但目前在水利閘門設計方面，如水流流態仿真、閘門結構應變分析等僅依靠ＢＩＭ 技術很難完成［４］ 。

利用ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）有限元技術的高精度、高仿真度特性可以進行弧形閘門仿真計算分析。例如：劉竹麗等［５］ 以Ａｎｓｙｓ?Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 為平臺，采用雙向流固耦合方法，對不同開度下平板閘門的流激振動問題進行分析，得出閘門應力、位移變化規律；盛韜楨等［６］ 基于Ａｎｓｙｓ?Ｍｏｄａｌ 模塊，對護鏡式閘門在動水啟閉時振動頻率隨閘門開度和模態階數的變化規律進行研究。梳理有關研究發現，大多學者只是單方面采用Ａｎｓｙｓ 軟件建立閘門結構，并沒有將ＢＩＭ 參數化建模技術結合Ａｎｓｙｓ 虛擬仿真技術用于閘門數值分析。本文采用ＢＩＭ＋ＣＡＥ 有限元技術對某弧形閘門結構性能進行分析，對弧形閘門不同開度的流場和結構場進行數值模擬，驗證該技術的可行性，以期為類似水閘工程正向設計提供技術參考。

１ ＢＩＭ 平臺與ＣＡＥ 平臺數據交互

１．１ 數值化建模

采用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ 和ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ 等軟件進行弧形閘門三維實體模型搭建，利用軟件內部布爾運算功能抽取滿足數值模擬流體域的ＢＩＭ 模型。通過碰撞檢測功能解決弧形閘門各零件模型不協調問題，在保證不影響仿真計算精度和模型網格質量條件下，對弧形閘門結構進行簡化處理，以最大限度節省仿真計算成本。弧形閘門幾何結構ＢＩＭ 數值化建模見圖１。

１．２ 數據傳輸

ＢＩＭ 平臺和ＣＡＥ 平臺都有良好的信息集成功能，采用這兩種平臺進行有限元分析，可以縮短正向設計時間。實現這兩種平臺間數據傳輸主要有三種方法：方法一是將ＢＩＭ 平臺內嵌于ＣＡＥ 模塊，直接實現數據格式無縫銜接，如在Ｉｎｖｅｎｔｏｒ 中直接調入Ａｎｓｙｓ 模塊，使模型信息快速進入Ａｎｓｙｓ 分析環境；方法二是靜態數據交互，即轉化ＩＦＣ、ＳＴＥＰ、ＡＣＩＳ 等中間標準數據格式文件，但對于一些復雜構件模型文件傳輸，此方法易發生模型丟失和尺寸偏差問題，需要對模型進行校核完善；方法三是針對特定ＢＩＭ 模型，通過軟件動態編程接口（ＡＰＩ）進行軟件二次開發，直接讀取并分析弧形閘門結構幾何特征、材質等信息，提升模型數據傳輸速度與精度，拓寬ＢＩＭ 平臺應用范圍。

２ 基于ＢＩＭ 的弧形閘門設計應用

弧形閘門設計過程涉及閘門面板、基礎埋件、閘門支鉸模型與土建模型之間的干涉碰撞，傳統二維圖紙信息表達具有局限性。而應用ＢＩＭ 技術的參數化表達，可實現弧形閘門關鍵部位連接和復雜水工構件元素三維可視化；同時通過Ｂｅｎｔｌｅｙ 平臺中ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ軟件內嵌模塊的碰撞檢測功能，對不同專業模型進行碰撞檢測、交叉傳遞模型參數信息，可保證弧形閘門的裝配精度。弧形閘門模型與土建模型碰撞檢測結果見圖２。共檢測到１５ 個碰撞點，對碰撞的位置進行模型修改與調整，優化各專業模型結構設計，還可以生成工程量報表，輔助預測項目成本。通過應用ＢＩＭ 技術提前發現弧形閘門設計階段存在的問題，減少設計變更，促進不同參與方、不同專業模型之間的信息同步與信息共享，整體提高設計工作效率和質量。

３ 數值模型

３．１ 數字底板

仿真實驗模型選取實驗室弧形閘門模型，針對水壓力下溢流壩段表孔弧形閘門在不同啟閉開度的流激振動進行單向流固耦合數值模擬［７］ 。溢流壩段剖面見圖３，圖中ｘ 表示順水流方向，ｙ 表示垂直水流方向。堰頂形式采用ＷＥＳ 堰形式，中間曲面為斜直段，下游接反弧段，壩頂高程３８４．０００ ｍ，單個表孔寬度８ ｍ。弧形閘門寬８ ｍ、高２７．２１５ ｍ，閘門面板最大半徑３０ ｍ。閘門材料為Ｑ３４５Ｂ 結構鋼［８］ ，彈性模量為２． ０６ × １０５ ＭＰａ， 泊松比為０． ３， 密度為７ ８５０ｋｇ／ ｍ３，抗拉、抗壓強度均為２２５ ＭＰａ。

４．２ 水面曲線分析

水面曲線是泄洪建筑物設計的重要依據，不同閘門開度的水面曲線見圖５。水體積分數為０．５ 時水氣交界面層次清晰。堰頂閘門開度越大，水流垂直斷面越大，水流接近閘門時翻滾程度越高，水面壅高，水體飛濺，對閘門容易產生共振破壞。

４．３ 閘門等效應力、變形分析

在Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中將Ｆｌｕｅｎｔ 模塊計算的水壓力數據鏈接到Ｓｔａｔｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ 模塊，通過數值模擬得到不同開度的弧形閘門等效應力值和變形值，見表２。弧形閘門未開啟時最大等效應力為１４２．２ ＭＰａ，最大變形值為３．４５ ｍｍ。伴隨著弧形閘門的開啟，閘門等效應力值、變形值整體呈現非線性減小趨勢。但當開度為１．０～１．５ ｍ 時兩者出現逆增長趨勢，說明此開度下閘門容易因不規律受力而發生變形破壞，建議減少此開度的閘門運行時長。

弧形閘門開度為０．０ ｍ 時其等效應力、變形云圖見圖６。由于面板整體為薄壁結構，因此采用ｓｈｅｌｌ 單元進行閘門受力分析。面板承受水壓面積大，基本上呈現水平向內凹陷變形。最大變形出現在面板下部區域，見圖６ 中Ｍａｘ 位置，建議提高閘門底部結構材料剛度。

４．４ ＢＩＭ 與ＣＡＥ 有限元的二次應用

通過有限元數值分析得到溢流道弧形閘門相關信息，包括水體積分數、弧形閘門等效應力、變形等。基于Ｂｅｎｔｌｅｙ 平臺中ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ 軟件顯示功能實現仿真結果應力云圖導入ＢＩＭ 平臺，完成ＢＩＭ 與ＣＡＥ 有限元在弧形閘門結構性能分析中的二次應用，見圖７。通過ＢＩＭ 技術將弧形閘門相關力學信息賦予ＢＩＭ 模型相應部位，對關鍵節點的構件進行修改優化，對應力小的構件減少鋼材用量，以節省材料、降低成本。對于弧形閘門三維設計，相比于傳統二維設計方法，ＢＩＭ 結合數值模擬方法更加符合新時代水利工程設計要求。

５ 結論

本文提出ＢＩＭ 結合ＣＡＥ 有限元的方法，對弧形閘門性能進行分析。采用單向流固耦合、ＲＮＧ ｋ －ε 模型、ＶＯＦ 方法分析不同開度下閘門受力情況。隨著閘門開度增大，上游水體剪切、混摻更加劇烈，容易發生閘門共振現象，閘門的等效應力和變形總體呈非線性減小趨勢。通過軟件內部顯示功能將數值模擬得到的水力信息賦予ＢＩＭ 模型，可實現弧形閘門三維優化設計。

參考文獻：

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［４］ 謝遵黨．水利水電工程數字設計工廠建設構想與實踐［Ｊ］．水利水電技術（中英文），２０２３，５４（２）：６０－７２．

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［７］ 顧功開，徐棟棟，李德．烏東德水電站水工閘門動力安全評價［Ｊ］．人民長江，２０２０，５１（３）：１３６－１４２．

［８］ 中華人民共和國水利部．水利水電工程鋼閘門設計規范：ＳＬ７４—２０１９［Ｓ］．北京：中國水利水電出版社，２０１９：２５－３８．

［９］ 吳持恭．水力學［Ｍ］．４ 版．北京：高等教育出版社，２００８：９６－９８．

【責任編輯 栗 銘】