BIM技術(shù)在埋藏式月牙肋岔管計算分析中的應(yīng)用研究

張凱

摘 要：本文通過在Catia參數(shù)化模板中內(nèi)置有限元計算的需求元素的方式，解決了岔管BIM實施過程中數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)共享的問題，實現(xiàn)了BIM模型與有限元分析的幾何信息共享；進而通過在Ansys Workbench平臺中根據(jù)實際分析需求定制分析流程，實現(xiàn)了月牙肋岔管有限元分析與Caita模型的參數(shù)化聯(lián)動，有效降低了岔管有限元分析的工作量，為月牙肋岔管BIM模型的深入應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù) Catia 有限單元法 Ansys Workbench

1.前言

隨著計算機技術(shù)的進步與發(fā)展，BIM技術(shù)在水利水電工程中的作用正逐步凸顯。2019年發(fā)布的《水利水電工程勘測設(shè)計BIM實施指南》對水利水電行業(yè)BIM應(yīng)用做了全面的論述，指出了BIM是工程設(shè)計技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。目前，水利水電工程中BIM應(yīng)用在設(shè)計階段的應(yīng)用已全面開展、施工階段應(yīng)用正逐步推進。

岔管作為水利水電工程的重要組成部分，常見于泵站、電站等的輸水系統(tǒng)中。月牙肋岔管相對其他岔管體型具有受力明確合理、水流流態(tài)好等優(yōu)點，在實際工程設(shè)計中應(yīng)用較多；但月牙肋岔管體型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)計算較為繁瑣，設(shè)計效率較低，為解決岔管設(shè)計過程中的難點。何新紅、伍鶴皋等基于CATIA開發(fā)了月牙肋岔管三維輔助設(shè)計系統(tǒng)，齊文強，鄒柏青等介紹了一套基于CATIA的三維設(shè)計方法，基本解決了岔管建模出圖的問題，但岔管結(jié)構(gòu)分析仍存在分析模型建立困難，效率低的問題。本文對BIM模型全生命周期應(yīng)用中如何實現(xiàn)有限元模型與BIM模型的聯(lián)動、提高結(jié)構(gòu)分析效率進行了研究，在我院BIM實施的總體框架下，通過研究軟件之間數(shù)據(jù)接口、定制有限元分析流程，實現(xiàn)了月牙肋岔管設(shè)計過程中模型的由BIM軟件向設(shè)計軟件的流轉(zhuǎn)問題，提高了岔管的結(jié)構(gòu)分析效率。

2. 有限元分析模板制作流程

2.1 BIM模型重構(gòu)

BIM模型通過數(shù)學(xué)信息技術(shù)反映建筑物所具有的真實信息，其準(zhǔn)確的表達了建筑的三維幾何形狀等信息，在項目全生命周期信息化管理方面起到了重要作用。在岔管BIM應(yīng)用方面，伍鶴皋、齊文強、何新紅等對如何利用CATIA參數(shù)化功能快速生成月牙肋鋼岔管三維模型進行了詳盡的敘述。BIM模型采用實體進行建模，包含了主岔管、支錐管、肋板、導(dǎo)流板實體對象，進而在實體模型的基礎(chǔ)上實現(xiàn)岔管的出圖、算量等應(yīng)用。然而在有限元分析時，工程師需要根據(jù)工程特點對模型進行特殊處理，如果直接采用常規(guī)BIM模型進行有限元分析，會導(dǎo)致前處理工作量繁瑣，嚴重影響分析計算效率。通常情況下，有限元分析模型需要設(shè)計人員根據(jù)BIM設(shè)計成果在有限元軟件中手工建立相應(yīng)模型。

結(jié)合岔管的受力特點，通常情況下在設(shè)計過程中錐管管壁采用殼單元進行模擬，肋板采用實體單元進行模擬，圍巖作用彈抗系數(shù)法模擬，這就要求BIM模型包含錐體的中間面，以及肋板的三維實體。在需求明確后對岔管的標(biāo)準(zhǔn)模板庫進行了完善，在BIM模型中增加了岔管中面以及肋板的三維實體，形成如圖1所示模型，進而通過Ansys Workbench軟件與Catia軟件的接口實現(xiàn)幾何元素的共享。

2.2 有限元模型建立

Ansys Workbench軟件具有較好的參數(shù)化能力，在輸入幾何元素發(fā)生改變后軟件可以根據(jù)模板定制的分析流程快速對結(jié)果進行更新。本文基于該平臺定制了岔管的有限元分析模板，包含了正常運行、校核等常見工況；在設(shè)計過程中，設(shè)計人員可以通過拖拽的方式創(chuàng)建新工況，然后調(diào)整相應(yīng)荷載大小點擊更新即可快速完成新工況的分析計算。

有限元模型的創(chuàng)建包括網(wǎng)格劃分、邊界條件施加等，通過Ansys Workbench提供的參數(shù)化功能通過定義規(guī)則來實現(xiàn)，模板定制的具體操作過程這里不再詳細介紹，但應(yīng)注意以下幾個問題。

截斷邊界：模型的截斷邊界要求距離岔管不少于一倍的公切球直徑，靠近岔管（管徑范圍內(nèi)）管節(jié)要求模擬其體型。遠離岔管核心區(qū)域的鋼管端部采用全約束邊界條件。

網(wǎng)格劃分：由于壓力鋼管相對較薄，鑒于目前的計算機資源使用實體單元模擬難度較大，通常情況下在有限元計算中使用殼單元來模擬。肋板對平面外應(yīng)力有一定要求，在計算過程中使用實體單元進行模擬。由于模型中同時存在殼單元和實體單元，在設(shè)置單元大小時候應(yīng)充分考慮管壁厚度與殼單元大小，應(yīng)滿足殼單元的薄殼假設(shè)，盡量避免剪切自鎖現(xiàn)象。

內(nèi)水壓力：內(nèi)水壓力作用施加較為簡單，使用軟件提供的水壓力進行施加即可，施加過程中。

圍巖作用：圍巖約束條件采用圍巖彈性抗力系數(shù)來模擬。每個節(jié)點上對應(yīng)的接觸剛度為k=f×A式中，f為圍巖彈性抗力系數(shù)；A為節(jié)點的特征面積。由于有限元網(wǎng)格在離散過程中不能保證每個節(jié)點的代表的面積完全相同且各個接觸單元的方向不同，圍巖約束條件手動施加實現(xiàn)難度較大，使用ANSYS APDL編程語言進行編程實現(xiàn)圍巖約束條件的施加。

3.工程實例驗證

本文以石埡子水電站地下埋藏式岔管為例對上述流程的計算精度進行了驗證。石埡子水電站壓力鋼管由直徑為5.7m的主管經(jīng)對稱Y型月牙肋岔管后（公切球6.3m，分岔角65o）分岔為兩條直徑3.9m的支管平行進入廠房。結(jié)合石埡子水電站岔管設(shè)計及運行情況，分別對正常運行、校核進行了驗證。根據(jù)工程實際資料，岔管位于II類圍巖中，圍巖彈性抗力系數(shù)采用75MPa/cm；設(shè)計和校核內(nèi)水水頭分別按照135m和165.88m進行取值，設(shè)計工況和校核工況的計算結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

從計算結(jié)果來看，在正常運行工況下，岔管的應(yīng)力分布于實際情況基本一致，計算結(jié)果小于常規(guī)計算結(jié)構(gòu)力學(xué)計算結(jié)果。在校核工況考慮圍巖分擔(dān)的情況下，有限元計算結(jié)果明顯小于結(jié)構(gòu)力學(xué)計算結(jié)果，圍巖分擔(dān)作用明顯。

通過工程實例驗證可知：①本文給出的技術(shù)路線的計算精度能夠滿足設(shè)計工作需要；②結(jié)構(gòu)體型調(diào)整后，通過幾何信息共享可以快速給出有限元分析結(jié)果，解決了岔管設(shè)計過程中方案調(diào)整效率低的問題；③由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)計算將圍巖計算簡單的處理為內(nèi)水水頭折減且無明確的計算方法，折減系數(shù)取值往往比較保守，采用有限元計算后能夠為岔管設(shè)計提供更為精確的計算結(jié)果，為設(shè)計方案優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

4.結(jié)論

本文以Catia軟件作為BIM的基礎(chǔ)平臺，結(jié)合Ansys Workbench軟件對月牙肋岔管的快速計算分析進行了研究。在實施過程中根據(jù)有限元計算需求對已有標(biāo)準(zhǔn)化月牙肋參數(shù)化模板進行了調(diào)整，通過固化有限元分析流程基于Ansys Workbench平臺實現(xiàn)了岔管多工況的一鍵計算，實現(xiàn)了有限元計算與BIM建模的數(shù)據(jù)源統(tǒng)一和有限元計算結(jié)果的自動更新。本文給出的實現(xiàn)路徑簡單，在后期應(yīng)用過程中對設(shè)計人員能力要求低，在工程技術(shù)人員中推廣較為容易，可以為類似工程的BIM實施提供參考。

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