弧形闸门结构性能的BIM CAE有限元计算分析.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（，）作者简介：孙少楠（），男，河南柘城人，副教授，博士，研究方向为 技术应用、水利工程信息化管理 通信作者：张瑞捷（），男，内蒙古包头人，硕士研究生，研究方向为 技术与有限元数值模拟：【水利信息化】弧形闸门结构性能的 有限元计算分析孙少楠，张瑞捷，肖佳华，张志恒，马 奔（华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州；上海勘测设计研究院有限公司，上海）摘 要：针对弧形闸门结构复杂、节点信息混乱等问题，提出 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 构建 模型，介绍 平台与 平台数据交互方法，利用 技术碰撞检测、数据更新功能对模型进行调整，将 模型导入，模拟不同开度下溢洪道水流流态和弧形闸门受力情况。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，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 模型关键节点水力信息，可实现 平台与 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；有限元；数据交互中图分类号：文献标志码：引用格式：孙少楠，张瑞捷，肖佳华，等弧形闸门结构性能的 有限元计算分析人民黄河，（）：，（，；，）：，：；（）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。例如：茅建校等基于 二次开发程序插件，提出了桥梁信息模型监测数据可视化方法，该方法中 色彩映射关系可反映桥梁结构状态；刘金典等提出将 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 技术很难完成。利用（）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：刘竹丽等以 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；盛韬桢等基于 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 软件建立闸门结构，并没有将 参数化建模技术结合 虚拟仿真技术用于闸门数值第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，分析。本文采用 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。平台与 平台数据交互 数值化建模采用 和 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 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 数值化建模见图。图 弧形闸门几何结构模型 数据传输 平台和 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 平台内嵌于 模块，直接实现数据格式无缝衔接，如在 中直接调入 模块，使模型信息快速进入 分析环境；方法二是静态数据交互，即转化、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 模型，通过软件动态编程接口（）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 平台应用范围。基于 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 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 平台中 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。共检测到 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 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。图 弧形闸门模型与土建模型碰撞检测 数值模型 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。溢流坝段剖面见图，图中 表示顺水流方向，表示垂直水流方向。堰顶形式采用 堰形式，中间曲面为斜直段，下游接反弧段，坝顶高程 ，单个表孔宽度。弧形闸门宽 、高 ，闸门面板最大半径。闸门材料为 结构钢，弹性模量为 ，泊 松 比 为 ，密 度 为 ，抗拉、抗压强度均为 。图 溢流坝段剖面示意人 民 黄 河 年第 期 数学模型）设置流场和结构场接触面的共享拓扑结构以及弧形闸门各部位共节点。建立流固耦合面流场和结构场的力平衡方程、几何协调方程以及结构控制方程。力平衡方程为（）几何协调方程为（）（）结构控制方程为（）式中：、分别为流场、结构场的应力，、分别为流场、结构场应力方向余弦，、分别为流场、结构场应力位移，为流速，为固体域当地速度，为固体域当地加速度，为固体域当地密度，为梯度算子，为体积力，为柯西应力张量。）溢流坝表孔自由出流混掺现象严重，采用 湍流模型计算溢洪道表孔出流流量。连续性方程为（）（）动量方程为（）（）（）（）（）湍流动能 方程为（）（）（）（）湍流耗散率 方程为（）（）（）（）式中：为流体密度；为时间；、分别为、方向速度分量；、分别为、方向坐标分量；为湍动黏度；为流体动力黏性系数；为平均速度梯度引起的湍动能产生项；为修正压力；、分别为、方程的湍流普朗特数，、；为湍流黏滞系数；、均为 方程常数，、。）方法适用于计算泄洪量大且弯曲绕流的水气两相流，水和空气交界面会随时间发生变化，为了更好地跟踪两相流交界面的位置变化情况，引入两相流体体积分数，表示单元体内没有流体流入，表示单元体内存在水气交界面，表示单元体充满流体。计算域网格划分网格质量和数量对数值模拟准确性以及计算时间成本起着重要作用，决定数值模拟能否在一定时间内达到收敛。以弧形闸门开度 为例，采用 划分流体网格，设置边界层，对溢洪道重要水流区域进行网格加密，网格形式为外边界六面体、内部四面体，网格平均质量大于。弧形闸门结构复杂，共产生 个节点、个单元。网格划分效果见图。图 网格划分效果 边界条件和参数设置采用 中的瞬态模拟类型模拟水流流态，设置重力加速度方向为 轴负方向，大小为 。设置 两相流中第一项为空气、第二项为水，表面张力系数为。采用 算法计算不可压缩两相混掺流，设置 初始计算域为，表示单元体中充满水体。在 中设置松弛因子体积分数为，湍流动能为，湍流耗散率为。当流量值波动于某一数值时，认为流体仿真模拟达到收敛，停止计算。设置压力进口、压力出口，其他面设置无滑移壁面。有限元计算结果分析 对比验证闸孔出流的流量与闸孔宽度、闸门开度和上游水头有关，本次模拟溢流坝段表孔的单孔自由出流，不考虑行近流速水头。曲线型底坎闸孔出流流量 计算公式为（）式中：为曲线型坎上闸孔流量系数，为闸前总水头，为 堰形式底坎上闸门开度，为单孔净宽，为重力加速度。根据式（）分别计算得到弧形闸门不同开度下溢流道流量理论计算值，与数值模拟值对比验证，见表。经比较分析，流量误差小于，表明建立的 模型合理准确，数值模拟 模块网格划分、边界条件以及参数设置合理，模拟结果有效。人 民 黄 河 年第 期表 不同闸门开度下溢流道流量闸门开度 理论计算流量（）数值模拟流量（）误差 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。水体积分数为 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。图 不同闸门开度的水面曲线 闸门等效应力、变形分析在 中将 模块计算的水压力数据链接到 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。弧形闸门未开启时最大等效应力为 ，最大变形值为 。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 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。表 不同开度下弧形闸门的等效应力和变形闸门开度 等效应力 变形 弧形闸门开度为 时其等效应力、变形云图见图。由于面板整体为薄壁结构，因此采用 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 中 位置，建议提高闸门底部结构材料刚度。图 弧形闸门等效应力、变形云图 与 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 平台中 软件显示功能实现仿真结果应力云图导入 平台，完成 与 有限元在弧形闸门结构性能分析中的二次应用，见图。通过 技术将弧形闸门相关力学信息赋予 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，结合数值模拟方法更加符合新时代水利工程设计要求。图 数值模拟信息在 平台的应用 结论本文提出 结合 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、模型、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 模型，可实现弧形闸门三维优化设计。参考文献：周昊，陈国良，何翔，等岩土工程建筑信息模型集成与仿真关键技术研究岩土力学，（增刊）：（下转第 页）人 民 黄 河 年第 期 阈值为 时可以实现精确率和召回率的平衡，此时 网络模型的精确率在 附近波动，召回率在 附近波动。与 模型相比，模型的 、值分别提升了、，网络模型性能有所提高。在处理速度方面，标准的视频图像处理速度为 。经过多次实验发现，网络模型对于视频图像的处理速度为 ，不能达到实际应用需求。因此，采用并行方法进一步对 网络模型进行改进，以提高处理速度。为验证并行化设计的有效性，本实验继续采用上述违规采砂数据集，设置数据集为 张图像，其中：张为训练图像，张为验证图像，参数设置保持不变。并行处理前 网络模型的加速比为，并行处理后 网络模型的 值为 ，值为，加速比为。并行处理后 网络模型的 精度值未发生太大变化，而检测速度有了大幅度提升。同时经过多次检测发现，并行处理后 网络模型对于视频图像的处理速度为 ，达到视频图像处理速度标准。结论本文围绕黄河流域违规采砂事件，对面向水利监管的违采事件检测方法进行并行化研究。通过分析 网络模型基本结构，结合检测背景、需求和目标等特点，对卷积计算过程进行并行化分析，构建并行化 网络模型。相比于 网络模型，并行化的 网络模型可以显著提高检测速度。参考文献：孙运锋践行治水思路 锚定“两个确保”深入推动河南水利高质量发展河南水利与南水北调，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：张苗，李璞，杨漪，等基于目标检测卷积神经网络的图像型火灾探测算法消防科学与技术，（）：张海涛，张梦引入通道注意力机制的 目标检测算法计算机工程，（）：，：，：（）：田乔鑫，孔韦韦，滕金保，等基于并行混合网络与注意力机制的文本情感分析模型计算机工程，（）：刘万军，王凤，曲海成融合多尺度特征的目标检测模型激光与光电子学进展，（）：王之元，杨学军并行计算系统度量指标综述计算机工程与科学，（）：【责任编辑 栗 铭】（上接第 页）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哈尔滨工程大学学报，（）：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同济大学学报（自然科学版），（）：谢遵党水利水电工程数字设计工厂建设构想与实践水利水电技术（中英文），（）：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人民黄河，（）：盛韬桢，胡友安，厉丹丹基于 的护镜门振动特性分析水资源与水工程学报，（）：顾功开，徐栋栋，李德乌东德水电站水工闸门动力安全评价人民长江，（）：中华人民共和国水利部水利水电工程钢闸门设计规范：北京：中国水利水电出版社，：吴持恭水力学 版北京：高等教育出版社，：【责任编辑 栗 铭】人 民 黄 河 年第 期