BIM技術在埋藏式月牙肋岔管計算分析中的應用研究

張凱

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

關鍵詞：BIM技術 Catia 有限單元法 Ansys Workbench

1.前言

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

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、水流流態好等優點，在實際工程設計中應用較多；但月牙肋岔管體型復雜，結構計算較為繁瑣，設計效率較低，為解決岔管設計過程中的難點。何新紅、伍鶴皋等基于CATIA開發了月牙肋岔管三維輔助設計系統，齊文強，鄒柏青等介紹了一套基于CATIA的三維設計方法，基本解決了岔管建模出圖的問題，但岔管結構分析仍存在分析模型建立困難，效率低的問題。本文對BIM模型全生命周期應用中如何實現有限元模型與BIM模型的聯動、提高結構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據接口、定制有限元分析流程，實現了月牙肋岔管設計過程中模型的由BIM軟件向設計軟件的流轉問題，提高了岔管的結構分析效率。

2. 有限元分析模板制作流程

2.1 BIM模型重構

BIM模型通過數學信息技術反映建筑物所具有的真實信息，其準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應用方面，伍鶴皋、齊文強、何新紅等對如何利用CATIA參數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、導流板實體對象，進而在實體模型的基礎上實現岔管的出圖、算量等應用。然而在有限元分析時，工程師需要根據工程特點對模型進行特殊處理，如果直接采用常規BIM模型進行有限元分析，會導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計人員根據BIM設計成果在有限元軟件中手工建立相應模型。

結合岔管的受力特點，通常情況下在設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準模板庫進行了完善，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化能力，在輸入幾何元素發生改變后軟件可以根據模板定制的分析流程快速對結果進行更新。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；在設計過程中，設計人員可以通過拖拽的方式創建新工況，然后調整相應荷載大小點擊更新即可快速完成新工況的分析計算。

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

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）管節要求模擬其體型。遠離岔管核心區域的鋼管端部采用全約束邊界條件。

網格劃分：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，在設置單元大小時候應充分考慮管壁厚度與殼單元大小，應滿足殼單元的薄殼假設，盡量避免剪切自鎖現象。

內水壓力：內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來模擬。每個節點上對應的接觸剛度為k=f×A式中，f為圍巖彈性抗力系數；A為節點的特征面積。由于有限元網格在離散過程中不能保證每個節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難度較大，使用ANSYS APDL編程語言進行編程實現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。結合石埡子水電站岔管設計及運行情況，分別對正常運行、校核進行了驗證。根據工程實際資料，岔管位于II類圍巖中，圍巖彈性抗力系數采用75MPa/cm；設計和校核內水水頭分別按照135m和165.88m進行取值，設計工況和校核工況的計算結果分別如圖2和圖3所示。

從計算結果來看，在正常運行工況下，岔管的應力分布于實際情況基本一致，計算結果小于常規計算結構力學計算結果。在校核工況考慮圍巖分擔的情況下，有限元計算結果明顯小于結構力學計算結果，圍巖分擔作用明顯。

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

4.結論

本文以Catia軟件作為BIM的基礎平臺，結合Ansys Workbench軟件對月牙肋岔管的快速計算分析進行了研究。在實施過程中根據有限元計算需求對已有標準化月牙肋參數化模板進行了調整，通過固化有限元分析流程基于Ansys Workbench平臺實現了岔管多工況的一鍵計算，實現了有限元計算與BIM建模的數據源統一和有限元計算結果的自動更新。本文給出的實現路徑簡單，在后期應用過程中對設計人員能力要求低，在工程技術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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