CAD/CAE技术在钢闸门数字化设计中的应用

2020-01-03王文武王正中赵春龙

水力发电 2019年9期

王文武，王正中，赵春龙，翟超，李岗

(1.西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心，陕西杨凌712100；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065)

0 引言

钢闸门是置于水工建筑物过水孔口的活动挡水结构，其主要作用是控制水位与调节流量。近年来，随着我国水电资源的开发不断地向西部迈进，在越来越多高坝建成的同时，与之相配套的钢闸门也呈现出朝着高水头、大型化的发展的趋势，这对钢闸门在安全性、可靠性和经济性方面的设计提出了更高的要求[1-2]。

钢闸门作为一种典型的的空间结构，其设计计算方法国内普遍采用《水利水电工程钢闸门设计规范》[3](以下简称“规范”)推荐的平面容许应力法，该方法计算简便但未考虑结构的空间效应及自重效应，因而计算结果不能准确反映实际结构的受力状况[4]。随着计算机技术的进步，空间结构分析方法得以迅速发展，并广泛应用于钢闸门结构的分析计算中[5-7]，其结果更接近钢闸门工作实况，因而按空间结构的计算方法能最大限度的保证结构安全与经济的统一。此外，钢闸门设计一直延续手工计算结合二维绘图软件逐线绘制的方式，不仅工作量大、易出错、修改难，并且设计成果为非结构化数据难以被重复利用。在信息化时代，难以满足生产高效率、产品高质量的要求。近几年，随着数字化、BIM技术在工程建设领域不断深入应用，为解决上述问题提供了思路与技术支撑，同时也为钢闸门设计走向三维数字化建设指明了发展方向[8]。因此，为变革传统设计模式，提升钢闸门设计水平，采用三维数字化BIM技术结合空间结构分析方法来实现钢闸门数字化设计具有重要意义。

当前，众多学者深入探讨了钢闸门的数字化设计[9-12]，这些成果有力推动了钢闸门设计的发展，但在其实现过程中数据对接、交互过程等方面仍存在一些不足，难以满足生产高效、功能多样化的需求，因此亟待进一步深化、系统研究。

本文在现有研究工作的基础上，结合钢闸门生产设计过程，将CAD/CAE技术及优化设计理念用于钢闸门设计工作中，探索钢闸门数字化设计的新方法，并通过工程实例加以验证说明。该成果可为相关结构工程数字化设计提供技术参考。

1 钢闸门数字化设计方法

钢闸门数字化设计的实现应借助数字化的平台。CATIA是一款造型功能十分强大的CAD(Computer Aided Design)软件，参数化建模及出图能力优异，较契合金属结构专业的特点。ANSYS作为CAE(Computer Aided Engineering)分析中的通用软件，功能强大、计算速度快，并且支持参数化语言。为利用两者在各自领域的优势，在本文提出的钢闸门数字化设计方法中以CATIA作为建模软件，ANSYS作为工程分析软件。

传统钢闸门设计中基本经历了资料收集与分析、闸门的选型与布置、闸门门体及零部件设计计算、图纸绘制等过程，而钢闸门数字化设计是在继承以上传统设计思路的基础上，将CAD数字化模型与CAE工程分析功能融入，形成了一个新的完整设计系统，从而实现了计算方法与出图方式的实质性转变。

1.1 数字化设计系统组成

根据钢闸门的构造特征及设计基本要求，探索形成了一套技术可行，使用方便、高效的钢闸门数字化设计系统，其组成如图1所示。

图1 钢闸门数字化设计系统组成架构

在钢闸门数字化设计系统中，将钢闸门看作由主体结构与零部件组成的一个完整结构。主体结构包括面板、主次梁、边梁、联结系等主要承载构件。零部件如止水、主轮、滑块、吊耳等，作为主体结构的附属物，不参与承载只配合主体结构完成预定的功能。

结构设计是数字化设计的前期工作，主要任务是依据规范结合设计经验完成钢闸门门体布置及主体结构、零部件的初设，为后期三维参数化模型的建立提供依据。主体结构参数化模型是整个设计系统核心，它既是工程分析及优化的对象，又需要与零部件参数化模型装配形成钢闸门整体模型。在CAD平台其建立方式可通过调用及调整钢闸门标准模板数据库中的模板实现，也可采用直接建模的方式逐步完成。零部件参数化模型大多是标准件或系列件，故可直接调用模板数据库中对应的系列配合使用。

在主体模型建立的基础上，利用模型转换技术将其几何模型转换为有限元模型，可避免CAE分析二次重复建模工作。通过仿真结果与规范允许值比较，既可实现结构校核的目的，也可为进一步优化提供准则。结构优化即通过调整主体结构模型的布置、尺寸、属性配置等参数，实现各构件空间布置位置、尺寸关系、材料属性、甚至形式的改变，达到提高设计产品性能并降低投资成本的目的。在该系统中，如果出现产品整体或局部的力学特性不能满足规范要求，或结构虽满足要求但材料的利用程度较低的情况，则须修改模型控制参数，再次进行工程分析，直至得到受力更加合理、经济最优的门型结构为止。在主体结构定型之后，要使设计的钢闸门发挥灵活调度及调蓄控水的作用，还需利用标准模板数据库装配必要的零部件，组成完整的钢闸门结构。在三维CAD整体模型基础上投影创建关联的二维工程施工图纸，完成设计出图任务。

简言之，钢闸门数字化设计是在产品初步设计的基础上进行有限元分析，并以分析结果反馈指导修改设计，最终完成产品定型的过程，这个过程的实现其关键在于CAD/CAE技术的合理运用。

1.2 CAD建模技术

1.2.1参数化关联设计及参数管理

参数化设计是三维设计的灵魂，也是设计思想的集成体现，其实质是一种解决设计约束问题的数学方法，通过参数把设计图元过程中需要的数字信息相关联，修改参数即可实现模型驱动等功能，极大提高了模型生成及修改速度，因而在产品系列设计、相似设计及优化设计中具有很高的应用价值。在CATIA中可以通过直接修改系统参数、用户参数或采用公式、设计表、规则等方法间接修改参数，以达到驱动模型改变的目的。

钢闸门组成几何要素多且关系复杂，每一个基本构件特征都可以产生一系列参数，大量的参数难以识别及管理。为此，一方面结合各构件优化设计的意图，减少设计无关参数，进而减少参数总量；另一方面按照闸门的功能特性及装配级别进行规范化命名，并创建对应的参数管理表。

1.2.2骨架关联设计思路

钢闸门多数为焊接件，一般为制造加工方便其构件布置有一定的规律，故比较适合以轴网作为模型骨架。利用轴网通过发布定位点、线及面的方式实现模型搭建，这种方式优势在于可通过轴网参数来统一快速实现修改钢闸门的结构布置，控制钢闸门的总体尺寸及梁系布局，亦非常符合设计者的设计思路，使设计工作者可以更加专注于结构形式的布置及优化。图2为基于轴网骨架建立的钢闸门门叶结构实体模型，轴网间距代表各构件的布置几何关系。

图2 基于轴网建立的钢闸门门叶结构模型

1.2.3钢闸门标准模板

模板是将一些已经运用成熟的智能知识如技术经验、逻辑关系、模型特征等封装打包，只留出一些输入条件作为调用接口，便可快速实现对已有模型的引用，该过程就像是针对三维模型的“复制”与“粘贴”。模板的应用可以大幅度减少重复的工作量，缩短产品的设计周期，因此创建并完善标准模板库至关重要。

这里将模板按装配级别分为零件模板、部件模板及装配模板三类。零件模板作为底层模板，其建立采用面向对象的设计，以面板、主梁、次梁、隔板等分别作为独立基础类型进行统计归纳，结合参数化设计形成以超级副本或用户特征形式出现的通用的模板类型或系列模型。部件模板是在零件模板基础上形成的，以门叶节为单元。由于安装制造的需要及运输条件的限制，通常都会将钢闸门进行分节设计制造，每节的空间构型及大小基本保持一致，因此以门叶节为单元搭建钢闸门效率更高。装配模板是以钢闸门结构为单元，主要是考虑到常用钢闸门类型的相似性，以及为实现项目成果的再次利用的目的而建立，建模效率最高。

在钢闸门的建模过程中，以上三级模板(见图3)可根据实际需求，按匹配度最高的原则，选择使用。

1.3 CAD/CAE模型转换技术

在钢闸门CAD模型已建立的情况下，为了提高CAE计算分析效率，避免重复的建模工作，应实现三维实体模型向有限元模型的转化。一般大型通用有限元分析软件都预留了几何模型导入的数据接口，可以直接进行数据的交互。考虑到钢闸门大部分构件是由薄壁钢板经焊接组合而成，其厚度方向的尺寸远比其他两个方向的尺寸小得多，为平衡计算速度与精度之间的相互制约关系，需要将实体模型转换为曲面模型，再划分成相应的板壳单元进行有限元分析，利用壳单元实现模拟中等厚度结构。

图3 平面钢闸门标准模板示例

三维实体模型转换为三维曲面模型的关键点在抽取中面的过程，此步骤可以借助专业的有限元前处理软件Hypermesh完成。一般抽取的曲面为每一薄板的中性层，抽取中面后为了保证相邻中面之间保持原有模型的拓扑连接关系，必须进行拓扑连接关系处理，以形成一个完整连续的三维曲面模型。在此曲面模型基础上，利用该软件进行网格控制操作及划分，形成高质量网格后，便可输出。

1.4 CAE工程分析技术

利用三维建模及转换技术快速建立有限元模型后，使用有限元分析软件ANSYS对钢闸门门叶主体结构模型进行多工况力学分析，以确定钢闸门各工况下的受力状态，其计算结果可对钢闸门初设正确性进行验证，也有助于找出前期设计中的不足之处，为后期的结构优化提供修改依据，保证结构设计更加安全可靠。

ANSYS求解分析其边界条件的设定非常重要。这里的边界条件主要包括约束及荷载，在结构分析中的约束一般为位移约束，荷载主要为集中荷载(吊点力)、表面荷载(水压力)、体荷载(重力)等，其施加的方式、位置及大小应最大程度地接近真实的受力状态。为方便准确定义边界条件，可先将模型分为不同类型组件，在施加约束或荷载时直接选取。在确定分析类型并设置求解控制选项后，便可计算求解。计算完成后，进入到后处理模块，按需查看整体或局部的计算结果。

2 工程应用

2.1 几何模型与有限元模型

以西部某大型水电站工程机组进水口快速闸门数字化设计为例，已知其钢闸门形式为平面滑动闸门，底坎高程2 690.0 m，设计高水位2 715.0 m，孔口性质为潜孔式，孔口尺寸为9.0 m×10.0 m(宽×高，下同)，止水尺寸为9.15 m×10.1 m，支撑跨距为9.6 m，水容重取10.0 kN/m3，操作方式为动水闭门、静水启门。

首先，依据规范采用容许应力法进行初步计算，结合设计经验完成钢闸门门体结构形式选择、构件计算与布置、材料的选用等，主要构件选材及尺寸规格见表1。

表1 平面钢闸门主要构件初选几何尺寸

其次，基于CATIA软件平台进行钢闸门三维参数化模型的建立。建模时以mm为单位(统一为mm-kg-s单位制)，采用右手笛卡尔坐标系，取X向为闸门跨度方向，Y向为水流方向，Z向为闸门高度方向。由于平面钢闸门标准模板数据库样本有限，因此对此项目只能在零件模板的基础上逐步搭建，形成参数化模型见图4a。

然后，还需将钢闸门几何模型转化为有限元模型。利用Hypermesh软件对钢闸门几何模型进行中面的提取、整合拓扑关系及网格的划分，形成由四边形构成的较为精细的169 082个SHELL 181单元，且均通过网格质量检查。

最后，对完全关闭工况下钢闸门主体结构有限元模型进行设计高水位状态下的静力分析。计算荷载主要考虑作用于闸门上的静水压力及闸门自重，其中，设计水头25.0 m，重力加速度取10.0 m/s2。门体在完全关闭挡水时，其门叶底缘受底坎Z向的位移约束，边梁滑块部位受Y向支撑约束，同时为保证不发生侧向位移，闸门对称部分施加X向位移约束。为简化计算，忽略材料性能间差异，取钢材的弹性模量均为2.06×105MPa，泊松比为0.25，密度为7 850 kg/m3。

图4 闸门整体模型及其静力分析结果

2.2 有限元结果与分析

经有限元计算分析，闸门主体结构在关闭挡水工况下，闸门整体的变形情况及应力分布见图4b，c，面板、主梁、水平次梁的静力特性其结果见表2。

表2 闸门主要构件的静力计算结果

依据规范对主要构件进行强度、刚度的校核。在对钢闸门进行强度验算时，首先应确定材料的允许应力，其值与钢板的厚度有直接关系。另外考虑闸门的重要程度及运行条件，在构件允许应力计算时，一般乘以[0.9，0.95]调整系数，结合该项目具体情况，取值为0.9。面板本身在局部弯曲的同时还随梁系受整体弯曲的作用，因此还应当乘以弹塑性调整系数，b/a>3，取1.4；b/a≤3，取1.5。

采用第四强度理论对钢闸门的强度进行验算，只有等效应力小于构件的允许应力才能满足强度的要求。由表2得：在闸门主要的受力构件中面板的应力值最大，为172.8 MPa，小于允许值270 MPa；主、次梁应力变化规律较为一致，最大应力均出现在梁的跨中部位，从上部到底部有增大趋势，峰值为142.5 MPa，小于220 MPa。由于支撑约束的施加，在支撑部位出现了局部的应力集中现象，但其高应力尚未超过材料允许值，故整个闸门结构的应力未超过构件的允许应力，钢闸门满足强度要求。

依据规范规定，对于潜孔式闸门，其主梁的最大挠度与计算跨度的比值不应超过1/750，次梁不应超过1/250。由图4b及表2可知：闸门结构整体的变形沿中心对称，发生最大位移的构件为面板，其峰值位于闸门底缘中心部位，为9.5 mm；主、次梁随着作用水头的增大，其变形也逐渐增大，但均未超过其允许值12.8 mm，因此钢闸门结构满足刚度的要求。

2.3 结构优化

从以上的分析可知，该闸门的初步设计已经符合相关规范的要求，且具有较大的安全富裕度。为了达到运行安全、经济最优的设计目标，可通过修改属性参数及尺寸参数来调整闸门整体梁系布局及某些构件的尺寸，从而实现对结构的整体优化。参数化的几何建模方式结合参数化命令流的分析模式，使得调整再分析工作操作简单方便。经过几次梁系布置与形式调整，得到优化后的闸门整体结构模型如图5a所示，其变形情况及应力分布如下图5b，c所示，为与图4c形成对比，将应力云图色带度量范围统一化。

从静力分析结果来看，优化后的模型应力分布、变形规律与优化前的模型基本一致，但其峰值应力有所增大，最大位移也略有增长，但都在构件允许的范围内，因此钢闸门的强度、刚度仍然满足规范的要求；从材料的利用程度来看，优化后钢闸门整体质量降低270 kg，提高了材料的利用率，降低了起吊容量，节省了投资。