弧形闸门结构性能的ＢＩＭ＋ＣＡＥ 有限元计算分析

孙少楠 张瑞捷 肖佳华 张志恒 马奔

摘 要：针对弧形闸门结构复杂、节点信息混乱等问题，提出ＢＩＭ＋ＣＡＥ 有限元技术对弧形闸门结构性能进行分析。以实验室弧形闸门模型为例，采用ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ 构建ＢＩＭ 模型，介绍ＢＩＭ 平台与ＣＡＥ 平台数据交互方法，利用ＢＩＭ 技术碰撞检测、数据更新功能对模型进行调整，将ＢＩＭ 模型导入Ａｎｓｙｓ－Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，模拟不同开度下溢洪道水流流态和弧形闸门受力情况。ＣＡＥ 有限元分析结果显示，溢洪道过闸流量数值模拟值与理论计算值相比，误差小于４．００％，验证仿真结果合理可靠。闸门等效应力和变形随开度增加整体呈非线性减小趋势。此外，通过软件显示功能导入应力云图以及添加ＢＩＭ 模型关键节点水力信息，可实现ＢＩＭ 平台与ＣＡＥ平台在弧形闸门性能分析中的二次应用。

关键词：弧形闸门；结构性能；ＢＩＭ；ＣＡＥ 有限元；数据交互

中图分类号：ＴＶ６６３＋ ．２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２１

引用格式：孙少楠，张瑞捷，肖佳华，等．弧形闸门结构性能的ＢＩＭ＋ＣＡＥ 有限元计算分析［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（１０）：１１８－１２１，１２５．

ＢＩＭ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ） 技术在可视化、信息集成、信息共享方面具有其他工作模式不具备的优势，其在房建和路桥建设方面已经得到广泛应用［１］ 。例如：茅建校等［２］ 基于Ｒｅｖｉｔ 二次开发程序插件，提出了橋梁信息模型监测数据可视化方法，该方法中ＲＧＢ 色彩映射关系可反映桥梁结构状态；刘金典等［３］ 提出将ＢＩＭ 技术应用于激光扫描装配式建筑质量控制和体系建造。但目前在水利闸门设计方面，如水流流态仿真、闸门结构应变分析等仅依靠ＢＩＭ 技术很难完成［４］ 。

利用ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）有限元技术的高精度、高仿真度特性可以进行弧形闸门仿真计算分析。例如：刘竹丽等［５］ 以Ａｎｓｙｓ?Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 为平台，采用双向流固耦合方法，对不同开度下平板闸门的流激振动问题进行分析，得出闸门应力、位移变化规律；盛韬桢等［６］ 基于Ａｎｓｙｓ?Ｍｏｄａｌ 模块，对护镜式闸门在动水启闭时振动频率随闸门开度和模态阶数的变化规律进行研究。梳理有关研究发现，大多学者只是单方面采用Ａｎｓｙｓ 软件建立闸门结构，并没有将ＢＩＭ 参数化建模技术结合Ａｎｓｙｓ 虚拟仿真技术用于闸门数值分析。本文采用ＢＩＭ＋ＣＡＥ 有限元技术对某弧形闸门结构性能进行分析，对弧形闸门不同开度的流场和结构场进行数值模拟，验证该技术的可行性，以期为类似水闸工程正向设计提供技术参考。

１ ＢＩＭ 平台与ＣＡＥ 平台数据交互

１．１ 数值化建模

采用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ 和ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ 等软件进行弧形闸门三维实体模型搭建，利用软件内部布尔运算功能抽取满足数值模拟流体域的ＢＩＭ 模型。通过碰撞检测功能解决弧形闸门各零件模型不协调问题，在保证不影响仿真计算精度和模型网格质量条件下，对弧形闸门结构进行简化处理，以最大限度节省仿真计算成本。弧形闸门几何结构ＢＩＭ 数值化建模见图１。

１．２ 数据传输

ＢＩＭ 平台和ＣＡＥ 平台都有良好的信息集成功能，采用这两种平台进行有限元分析，可以缩短正向设计时间。实现这两种平台间数据传输主要有三种方法：方法一是将ＢＩＭ 平台内嵌于ＣＡＥ 模块，直接实现数据格式无缝衔接，如在Ｉｎｖｅｎｔｏｒ 中直接调入Ａｎｓｙｓ 模块，使模型信息快速进入Ａｎｓｙｓ 分析环境；方法二是静态数据交互，即转化ＩＦＣ、ＳＴＥＰ、ＡＣＩＳ 等中间标准数据格式文件，但对于一些复杂构件模型文件传输，此方法易发生模型丢失和尺寸偏差问题，需要对模型进行校核完善；方法三是针对特定ＢＩＭ 模型，通过软件动态编程接口（ＡＰＩ）进行软件二次开发，直接读取并分析弧形闸门结构几何特征、材质等信息，提升模型数据传输速度与精度，拓宽ＢＩＭ 平台应用范围。

２ 基于ＢＩＭ 的弧形闸门设计应用

弧形闸门设计过程涉及闸门面板、基础埋件、闸门支铰模型与土建模型之间的干涉碰撞，传统二维图纸信息表达具有局限性。而应用ＢＩＭ 技术的参数化表达，可实现弧形闸门关键部位连接和复杂水工构件元素三维可视化；同时通过Ｂｅｎｔｌｅｙ 平台中ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ软件内嵌模块的碰撞检测功能，对不同专业模型进行碰撞检测、交叉传递模型参数信息，可保证弧形闸门的装配精度。弧形闸门模型与土建模型碰撞检测结果见图２。共检测到１５ 个碰撞点，对碰撞的位置进行模型修改与调整，优化各专业模型结构设计，还可以生成工程量报表，辅助预测项目成本。通过应用ＢＩＭ 技术提前发现弧形闸门设计阶段存在的问题，减少设计变更，促进不同参与方、不同专业模型之间的信息同步与信息共享，整体提高设计工作效率和质量。

３ 数值模型

３．１ 数字底板

仿真实验模型选取实验室弧形闸门模型，针对水压力下溢流坝段表孔弧形闸门在不同启闭开度的流激振动进行单向流固耦合数值模拟［７］ 。溢流坝段剖面见图３，图中ｘ 表示顺水流方向，ｙ 表示垂直水流方向。堰顶形式采用ＷＥＳ 堰形式，中间曲面为斜直段，下游接反弧段，坝顶高程３８４．０００ ｍ，单个表孔宽度８ ｍ。弧形闸门宽８ ｍ、高２７．２１５ ｍ，闸门面板最大半径３０ ｍ。闸门材料为Ｑ３４５Ｂ 结构钢［８］ ，弹性模量为２． ０６ × １０５ ＭＰａ， 泊松比为０． ３， 密度为７ ８５０ｋｇ／ ｍ３，抗拉、抗压强度均为２２５ ＭＰａ。

４．２ 水面曲线分析

水面曲线是泄洪建筑物设计的重要依据，不同闸门开度的水面曲线见图５。水体积分数为０．５ 时水气交界面层次清晰。堰顶闸门开度越大，水流垂直断面越大，水流接近闸门时翻滚程度越高，水面壅高，水体飞溅，对闸门容易产生共振破坏。

４．３ 闸门等效应力、变形分析

在Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中将Ｆｌｕｅｎｔ 模块计算的水压力数据链接到Ｓｔａｔｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ 模块，通过数值模拟得到不同开度的弧形闸门等效应力值和变形值，见表２。弧形闸门未开启时最大等效应力为１４２．２ ＭＰａ，最大变形值为３．４５ ｍｍ。伴随着弧形闸门的开启，闸门等效应力值、变形值整体呈现非线性减小趋势。但当开度为１．０～１．５ ｍ 时两者出现逆增长趋势，说明此开度下闸门容易因不规律受力而发生变形破坏，建议减少此开度的闸门运行时长。

弧形闸门开度为０．０ ｍ 时其等效应力、变形云图见图６。由于面板整体为薄壁结构，因此采用ｓｈｅｌｌ 单元进行闸门受力分析。面板承受水压面积大，基本上呈现水平向内凹陷变形。最大变形出现在面板下部区域，见图６ 中Ｍａｘ 位置，建议提高闸门底部结构材料刚度。

４．４ ＢＩＭ 与ＣＡＥ 有限元的二次应用

通过有限元数值分析得到溢流道弧形闸门相关信息，包括水体积分数、弧形闸门等效应力、变形等。基于Ｂｅｎｔｌｅｙ 平台中ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ 软件显示功能实现仿真结果应力云图导入ＢＩＭ 平台，完成ＢＩＭ 与ＣＡＥ 有限元在弧形闸门结构性能分析中的二次应用，见图７。通过ＢＩＭ 技术将弧形闸门相关力学信息赋予ＢＩＭ 模型相应部位，对关键节点的构件进行修改优化，对应力小的构件减少钢材用量，以节省材料、降低成本。对于弧形闸门三维设计，相比于传统二维设计方法，ＢＩＭ 结合数值模拟方法更加符合新时代水利工程设计要求。

５ 结论

本文提出ＢＩＭ 结合ＣＡＥ 有限元的方法，对弧形闸门性能进行分析。采用单向流固耦合、ＲＮＧ ｋ －ε 模型、ＶＯＦ 方法分析不同开度下闸门受力情况。随着闸门开度增大，上游水体剪切、混掺更加剧烈，容易发生闸门共振现象，闸门的等效应力和变形总体呈非线性减小趋势。通过软件内部显示功能将数值模拟得到的水力信息赋予ＢＩＭ 模型，可实现弧形闸门三维优化设计。

参考文献：

［１］ 周昊，陳国良，何翔，等．岩土工程建筑信息模型集成与仿真关键技术研究［Ｊ］．岩土力学，２０２２，４３（增刊２）：４４３－４５３．

［２］ 茅建校，徐寅飞，王浩，等．南京长江大桥运营监测数据可视化方法及建筑信息模型插件开发［Ｊ］．哈尔滨工程大学学报，２０２３，４４（６）：９１０－９１６．

［３］ 刘金典，张其林，张金辉．基于建筑信息模型和激光扫描的装配式建造管理与质量控制［Ｊ］．同济大学学报（自然科学版），２０２０，４８（１）：３３－４１．

［４］ 谢遵党．水利水电工程数字设计工厂建设构想与实践［Ｊ］．水利水电技术（中英文），２０２３，５４（２）：６０－７２．

［５］ 刘竹丽，陈赟，伊元忠．不同开度下平面钢闸门流固耦合数值模拟研究［Ｊ］．人民黄河，２０２０，４２（１１）：７９－８３．

［６］ 盛韬桢，胡友安，厉丹丹．基于ＡＮＳＹＳ 的护镜门振动特性分析［Ｊ］．水资源与水工程学报，２０１８，２９（２）：１６３－１６７．

［７］ 顾功开，徐栋栋，李德．乌东德水电站水工闸门动力安全评价［Ｊ］．人民长江，２０２０，５１（３）：１３６－１４２．

［８］ 中华人民共和国水利部．水利水电工程钢闸门设计规范：ＳＬ７４—２０１９［Ｓ］．北京：中国水利水电出版社，２０１９：２５－３８．

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

【责任编辑 栗 铭】