基于ANSYS Workbench进行水工辅助分析的应用
2020-03-16
（湖南澧水工程项目管理有限公司，湖南长沙 410014）
1 传统设计流程及CAE 迭代设计流程的对比
1.1 相关背景
计算机辅助工程 CAE（Computer Aided Engineering），主要用于模拟分析、验证和改善设计。在近年来电脑技术及3D、CAD 快速发展的情况下，CAE应用比例越来越高，使用难度也越来越低，使用者数量大幅增长。与CAD 相比，CAE 使用者需要更多物理相关知识来设定条件与解释结果。至于计算过程所使用到的数学方法，如微分方程、有限元素法、有限体积法等全部交给电脑处理就可以了。
2002 年密歇根大学教授Dr.Michanel Grieves 在发表的一篇文章中第一次提出了数字孪生（Digtal Twins）概念。即在虚拟数字空间构建一个可以表征真实空间物理特征的虚拟实体，藉此来实现对物理实体的了解、分析和迭代设计优化。该虚拟实体可与真实实体的整个生命周期联系在一起。该观念最早是应用于飞机设计，通过对数字样机飞机的实时同步，来模拟、进化设计和无图纸生产。此后，该概念逐步扩展至机械等各领域。目前工程界的BIM（Building Information Modeling）发展就是数字孪生概念的一种另外体现。
三维正向设计从最开始的航空航天、机械设计领域，自2010 年左右逐步迈向建筑领域、土木工程领域，包括水利工程，搭配现在的BIM 化模型，对整个水工设计进行全过程的仿真模拟（静力分析、流固耦合、温固耦合分析、抗震动力分析等）的条件日趋成熟，通过数字孪生模型（数字样机）部分替代物理模型（物理样机）进行数字虚拟试验分析，加速迭代设计速度和节省经费。
ANSYS Workbench:是CAE 巨头ANSYS 公司基于有限元法的工程仿真技术集成平台，于2002 年首先推出，ANSYS Workbench 不但继承了ANSYS 经典环境的大部分强大功能，其所提供的CAD 双向参数链接互动、项目数据自动更新机制、全新的参数和无缝集成的优化设计工具等，使ANSYS 在“仿真驱动产品设计”方面达到了前所未有的高度。ANSYS Workbench 真正实现了集成产品设计、仿真、优化功能于一身，可以帮助设计人员在同一个平台上完成研发过程的所有工作，从而大大缩短了产品开发周期。
1.2 两种设计流程的对比
传统的线性设计思维：经验估算几何尺寸，力学计算，送专业分析部门进行有限元分析（如有必要），物理模型佐证（大型工程），定型或修改设计，见图1。
图1 传统的线性设计思维
迭代设计思维：经验估算几何尺寸，力学计算，制作水工建筑物的数字孪生模型，利用有限元软件进行辅助仿真分析（大中小型工程均可），根据分析结果，如发现不足，修改模型，迭代前面过程，直至符合要求，最终制作物理模型验证（大型工程），见图2。
图2 迭代设计思维
笔者所在单位为小型的工程咨询公司，没有独立分析部门，尝试利用相关软件的学习版本对这个思路进行了实践，通过这个项目，部分模拟了这个流程，发现完全可行。
2 应用过程
2.1 分析所用项目的介绍和水工尺寸
该项目位于浏阳市沿溪镇大光河的中游，距沿溪镇7 km，浏阳市区40 km。坝址以上控制流域集雨面积46.11 km2，占整个大光河流域面积的62.1%。
水库正常蓄水位为190.0 m，设计洪水位为192.2 m，校核水位为192.5 m，防洪限制水位为184.5 m，防洪高水位为192.2 m，死水位为171.0 m；总库容为1 270.5万m3，死库容为184 万m3，防洪库容为535 万m3。
坝型选择为碾压式混凝土重力坝。
非溢流坝剖面设计：断面选用上游面直立、下游面倾斜的标准三角形剖面，下游面的边坡系数m=0.75，坝底宽39.2 m。坝顶宽取6.0 m，坝顶下游面直立墙的高度为8.0 m。
2.2 有限元软件的选择
选择使用ANSYS 的Workbench 环境。ANSYS Workbench 的全图形界面化操作，所见即所得，使有限元辅助设计将如同个人电脑普及一样，成为土木工程师的有效手段。有限元软件使用也由集中使用（分析中心）向分布式（独立个人）使用过渡。
2.3 本项目有限元分析的流程
1）简化思路。有2D 分析和3D 分析两种手段，考虑到是数字孪生概念，需要更加接近真实模型，使用全三维分析手段，更加接近实际边界情况。
2）模型的简化及建模。数字孪生模型选取一截坝段（24 m），上下游各取1.5H 长作为计算范围，基础取1.5H 深作为计算范围。采用CAD 软件进行三维建模，有限元软件接力共享。虽然有限元软件有独立建模模块DM，但是推荐利用参数化CAD 专业软件进行专业建模：如Invent，UG，Pro/E，Catia，Solidwork 等。参数化设计对于迭代设计时反复修改模型尺寸是非常有利的，见图3。
3）边界条件施加：
①约束简化及施加。上下游两面，左右两面，基础底面均采用displacement 约束，约束方向分别为上下游方向（横向），大坝纵轴线方向，大坝上下方向。
②荷载加载，本文仅限对正常蓄水位工况的模拟，其他工况条件分析流程相同。
图3 CAD 模型线框图
施加的荷载包括地球重力、静水压力、扬压力、淤沙压力，见图4。
图4 荷载的可视化加载
4）计算求解。变形、应变、应力云图趋势符合预期假设，排除应力奇异部位，应力值基本吻合材料力学计算成果。应力集中现象不妨碍对坝体几何尺寸合理性效果验证的判断，见图5。
图5 模型分析结果云图
3 结论
1）随着ANSYS 的Workbench 环境的推出，使有限元从象牙塔走入普通水工设计人员一线，作为一种辅助手段，在进行结构计算的同时可以建立数字孪生模型，同步进行有限元分析，迭代、优化设计，能起到快速收敛、事半功倍的作用。普通工程师掌握有限元软件作为辅助设计手段，结合BIM 三维设计，做到设计-仿真真正的一体化将是趋势，但前提是掌握深厚的专业理论知识，而不仅仅是软件操作。
2）建立水工建筑的数字孪生模型时，一定要注意模型的精确、恰当的模拟，边界条件的精确、恰当的模拟，物理条件的精确、恰当的模拟。只有三个条件都满足了，建立好的物理世界和数字世界的映射关系，才能发挥CAE 的分析、CAD 的修改作用（本文仅仅是演示流程实现的可行性，模型仅仅选取非溢流坝的一段坝段，且做了一定简化）。数字孪生模型越细致，将更加贴近实际的边界条件，但将导致计算时间和难度增加，过去模型简化的部分原因是计算机资源不足造成的，随着云计算和个人PC 计算能力的提高，全三维数字模型仿真模拟的环境将更加容易实现。
