水電站廠房蝸殼結構設計分析一體化研究

黃 克 戩

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

由于水電站廠房蝸殼結構形式、受力條件以及載荷傳遞機制復雜，設計要求特殊，根據我國現行規范規定，在水電站廠房蝸殼結構設計中，對于大型工程宜進行三維有限元分析。目前，水電站蝸殼結構的結構有限元分析非常普遍，但是像這樣復雜結構的三維有限元分析及其結構建模和有限元分析的前后處理工作都是比較復雜和細致的工作，這對結構設計人員提出了較高要求。本文通過研究三維設計軟件和有限元分析軟件的結合，進行一體化的開發，簡化水電站廠房蝸殼結構有限元分析工作。研究結合CATIA強大的參數化建模能力［1］，Abaqus的有限元分析能力［2］，進行二次開發，形成了水電站廠房蝸殼結構三維有限元分析一體化的程序，實現了水電站廠房蝸殼結構設計分析一體化，可以快速高效地完成蝸殼結構三維建模、有限元前后處理以及形成圖文結合的算稿，是水工建筑物復雜結構利用三維CAD／CAE軟件進行設計分析一體化開發的探索和嘗試。

1 蝸殼結構型式

水電站廠房常見蝸殼結構型式主要包括充水保壓蝸殼、墊層蝸殼和直埋蝸殼。這三種蝸殼結構形式在其金屬蝸殼幾何體型上是相似的，但是在結構受力特點上是不一樣的。本文主要是研究這三種蝸殼型式的一體化并進行程序開發。

墊層蝸殼是在金屬蝸殼外表面部分敷設彈性墊層材料，從而減小運行時鋼蝸殼向外包鋼筋混凝土傳遞的荷載。充水保壓蝸殼是在施工時采取措施，臨時封閉蝸殼的進口和出口，向蝸殼內充水加壓，然后澆筑外包混凝土，在外包混凝土達到設計強度后才卸掉蝸殼內加壓的水，使蝸殼上部與外圍混凝土之間形成間隙。在運行時，當蝸殼受內水壓力變形使間隙閉合后，外包混凝土才承受蝸殼傳遞過來的荷載，從而達到減小外包混凝土所承擔荷載的目的。直埋蝸殼由金屬蝸殼和外圍混凝土直接聯合作用共同承受全部內水壓力，直埋蝸殼施工工藝相對簡單，但是外包混凝土承擔的荷載比另外兩種蝸殼結構型式大。

不論是哪一種蝸殼結構，其三維建模核心主要是金屬蝸殼模型，蝸殼三維模型創建主要根據蝸殼的單線圖數據創建，在CATIA中可以直接關聯EXCEL表格創建參數，建立參數化的蝸殼結構模型，不同的蝸殼模型只需要改變 EXCEL數據即可，見圖1。

2 技術方案

以CATIA為基礎界面，進行界面的二次開發。CATIA可以通過CAA進行程序開發，建立蝸殼結構計算的菜單和界面，完成蝸殼結構模型的調入和結構計算所需要的相關參數的輸入，建立與Abaqus的無縫連接，將信息傳遞到Abaqus軟件。Abaqus采用后臺運行方式，通過Python腳本程序編寫各種算法建立荷載、邊界、網格等與蝸殼結構模型之間的關系，完成Abaqus軟件中有限元分析的所有前后處理工作，同時完成蝸殼結構配筋計算，形成計算報告。主要技術路線見圖2。

圖1 參數化蝸殼模型

圖2 主要技術路線

2.1 CATIA程序開發

CATIA二次開發采用CAA（Component Applicaton Architecture），CAA是CATIA進行二次開發的強有力的工具，它采用面向對象的程序語言，基于C++語言封裝了一序列CATIA的組件庫［3］。CAA的開發利用Abaqus對三維模型以及復雜曲面體形的較高兼容性，將CATIA裝配模型直接導入Abaqus裝配（Assembly）模塊中，同時為了更好地完成后續荷載施加、邊界條件、作用關系施加、斷面配筋計算等功能，通過蝸殼結構的空間關系，建立CATIA模型與Abaqus有限元模型的映射關系，確保蝸殼結構中的金屬蝸殼、座環、混凝土等結構以及各荷載面和荷載點的準確識別。CAA開發環境界面如圖3。

圖3 CAA開發環境界面

在CATIA裝配模塊環境下，主菜單中“工具”菜單后添加一個菜單“蝸殼計算”，其包括三個子菜單：墊層蝸殼、充水保壓蝸殼、直埋蝸殼，點擊不同蝸殼型式進入不同蝸殼型式的計算分析界面。三個子菜單打開的三個對話框基本相似。對話框總體上分為上下兩部分：上部是一個Tab元素，下部是四個按鈕（見圖4），其主要為輸入計算需要的文件、材料參數、配筋參數、荷載和邊界條件等，不同蝸殼形式略有不同。墊層蝸殼需要設置墊層材料參數和鋪設范圍參數，充水保壓蝸殼需要設置充水保壓值。

圖4 蝸殼結構計算界面

2.2 Abaqus程序開發

Abaqus前后處理的二次開發主要基于Python語言［4］，Python功能強大，是面向對象、直譯式程序設計語言，其語法簡潔清晰，內置模塊庫豐富，可擴展性強［5-7］。通過Abaqus二次開發，可實現CATIA模型的導入，自定義網格劃分，自動剖切荷載施加元素進行荷載施加，并根據各零件之間的接觸關系，通過程序進行空間搜索創建接觸對，在完成相應前處理后提交計算，待計算完成后讀取成果文件，完成相應云圖輸出和配筋計算，最后輸出圖文結合的計算報告。程序流程見圖5，主要程序功能模塊見表1。

圖5 程序流程示意

表1 主要程序功能模塊及功能描述

3 計算實例

某水電站廠房蝸殼采用充水保壓蝸殼，進口最大直徑為9.6 m，蝸殼外緣最大尺寸為26.35 m，內圓直徑為12.1 m。最大水頭為128 m，最小水頭為108.2 m，升壓水頭約為170 m，額定水頭為115 m，HD值達1 632 m2，保壓值為0.98 MPa。機墩、風罩采用方型，最大外廓尺寸為23.6 m×22.6 m。

計算模型如圖6所示，外包混凝土結構采用實體單元，單元數308 018個，節點數64 060個；鋼蝸采用殼單元，單元數1 817個，節點數1 889個；座環采用實體單元，單元數8 496個，節點數2 555個。

圖6 蝸殼計算模型

根據計算結果，整理了正常運行甩負荷工況下蝸殼外圍混凝土10個典型斷面的環向應力及其配筋計算成果。蝸殼典型斷面和混凝土特征點位置見圖7。

圖7 蝸殼結構典型計算斷面示意

表2、表3分別展示了外包混凝土各斷面環向應力及環向配筋面積。從表2、表3可以看出，1號斷面及其上游的直管段，由于管徑大，外包混凝土厚度較薄，因此這些管段的環向配筋面積相對較大，直管段混凝土拉應力和配筋面積均達到最大，進口斷面隨著斷面直徑地逐漸減小，蝸殼外圍混凝土的配筋量也隨之減少。

表2 外包混凝土各斷面特征點環向應力 MPa

表3 外包混凝土各斷面環向配筋面積 mm2／m

4 結 語

本文探討研究了水電站廠房蝸殼結構設計分析一體化，基于CATIA、Abaqus進行了蝸殼一體化程序開發。程序可進行三種蝸殼結構的一體化設計分析，可以對蝸殼鋼襯厚度自動賦值，對機組荷載自動施加，對不同范圍的彈性墊層進行鋪設，對不同邊界條件進行施加，并自動進行不同蝸殼結構計算前處理。程序可自動輸出不同斷面云圖，并進行配筋計算，對配筋結果進行結構的裂縫校核，輸出圖文結構的計算報告。

水電站廠房蝸殼結構是一種復雜的水工建筑物結構，蝸殼外包混凝土結構設計是水電站廠房設計的一個重點內容。此次一體化程序開發嘗試，較好地解決了這個問題，是一次水工建筑物復雜結構利用三維CAD／CAE軟件進行設計分析一體化的探索和嘗試。