BIM技术在埋藏式月牙肋岔管计算分析中的应用研究

张凯

摘 要：本文通过在Catia参数化模板中内置有限元計算的需求元素的方式，解决了岔管BIM实施过程中数据流转、数据共享的问题，实现了BIM模型与有限元分析的几何信息共享；进而通过在Ansys Workbench平台中根据实际分析需求定制分析流程，实现了月牙肋岔管有限元分析与Caita模型的参数化联动，有效降低了岔管有限元分析的工作量，为月牙肋岔管BIM模型的深入应用奠定了基础。

关键词：BIM技术 Catia 有限单元法 Ansys Workbench

1.前言

随着计算机技术的进步与发展，BIM技术在水利水电工程中的作用正逐步凸显。2019年发布的《水利水电工程勘测设计BIM实施指南》对水利水电行业BIM应用做了全面的论述，指出了BIM是工程设计技术发展的必然趋势。目前，水利水电工程中BIM应用在设计阶段的应用已全面开展、施工阶段应用正逐步推进。

岔管作为水利水电工程的重要组成部分，常见于泵站、电站等的输水系统中。月牙肋岔管相对其他岔管体型具有受力明确合理、水流流态好等优点，在实际工程设计中应用较多；但月牙肋岔管体型复杂，结构计算较为繁琐，设计效率较低，为解决岔管设计过程中的难点。何新红、伍鹤皋等基于CATIA开发了月牙肋岔管三维辅助设计系统，齐文强，邹柏青等介绍了一套基于CATIA的三维设计方法，基本解决了岔管建模出图的问题，但岔管结构分析仍存在分析模型建立困难，效率低的问题。本文对BIM模型全生命周期应用中如何实现有限元模型与BIM模型的联动、提高结构分析效率进行了研究，在我院BIM实施的总体框架下，通过研究软件之间数据接口、定制有限元分析流程，实现了月牙肋岔管设计过程中模型的由BIM软件向设计软件的流转问题，提高了岔管的结构分析效率。

2. 有限元分析模板制作流程

2.1 BIM模型重构

BIM模型通过数学信息技术反映建筑物所具有的真实信息，其准确的表达了建筑的三维几何形状等信息，在项目全生命周期信息化管理方面起到了重要作用。在岔管BIM应用方面，伍鹤皋、齐文强、何新红等对如何利用CATIA参数化功能快速生成月牙肋钢岔管三维模型进行了详尽的叙述。BIM模型采用实体进行建模，包含了主岔管、支锥管、肋板、导流板实体对象，进而在实体模型的基础上实现岔管的出图、算量等应用。然而在有限元分析时，工程师需要根据工程特点对模型进行特殊处理，如果直接采用常规BIM模型进行有限元分析，会导致前处理工作量繁琐，严重影响分析计算效率。通常情况下，有限元分析模型需要设计人员根据BIM设计成果在有限元软件中手工建立相应模型。

结合岔管的受力特点，通常情况下在设计过程中锥管管壁采用壳单元进行模拟，肋板采用实体单元进行模拟，围岩作用弹抗系数法模拟，这就要求BIM模型包含锥体的中间面，以及肋板的三维实体。在需求明确后对岔管的标准模板库进行了完善，在BIM模型中增加了岔管中面以及肋板的三维实体，形成如图1所示模型，进而通过Ansys Workbench软件与Catia软件的接口实现几何元素的共享。

2.2 有限元模型建立

Ansys Workbench软件具有较好的参数化能力，在输入几何元素发生改变后软件可以根据模板定制的分析流程快速对结果进行更新。本文基于该平台定制了岔管的有限元分析模板，包含了正常运行、校核等常见工况；在设计过程中，设计人员可以通过拖拽的方式创建新工况，然后调整相应荷载大小点击更新即可快速完成新工况的分析计算。

有限元模型的创建包括网格划分、边界条件施加等，通过Ansys Workbench提供的参数化功能通过定义规则来实现，模板定制的具体操作过程这里不再详细介绍，但应注意以下几个问题。

截断边界：模型的截断边界要求距离岔管不少于一倍的公切球直径，靠近岔管（管径范围内）管节要求模拟其体型。远离岔管核心区域的钢管端部采用全约束边界条件。

网格划分：由于压力钢管相对较薄，鉴于目前的计算机资源使用实体单元模拟难度较大，通常情况下在有限元计算中使用壳单元来模拟。肋板对平面外应力有一定要求，在计算过程中使用实体单元进行模拟。由于模型中同时存在壳单元和实体单元，在设置单元大小时候应充分考虑管壁厚度与壳单元大小，应满足壳单元的薄壳假设，尽量避免剪切自锁现象。

内水压力：内水压力作用施加较为简单，使用软件提供的水压力进行施加即可，施加过程中。

围岩作用：围岩约束条件采用围岩弹性抗力系数来模拟。每个节点上对应的接触刚度为k=f×A式中，f为围岩弹性抗力系数；A为节点的特征面积。由于有限元网格在离散过程中不能保证每个节点的代表的面积完全相同且各个接触单元的方向不同，围岩约束条件手动施加实现难度较大，使用ANSYS APDL编程语言进行编程实现围岩约束条件的施加。

3.工程实例验证

本文以石垭子水电站地下埋藏式岔管为例对上述流程的计算精度进行了验证。石垭子水电站压力钢管由直径为5.7m的主管经对称Y型月牙肋岔管后（公切球6.3m，分岔角65o）分岔为两条直径3.9m的支管平行进入厂房。结合石垭子水电站岔管设计及运行情况，分别对正常运行、校核进行了验证。根据工程实际资料，岔管位于II类围岩中，围岩弹性抗力系数采用75MPa/cm；设计和校核内水水头分别按照135m和165.88m进行取值，设计工况和校核工况的计算结果分别如图2和图3所示。

从计算结果来看，在正常运行工况下，岔管的应力分布于实际情况基本一致，计算结果小于常规计算结构力学计算结果。在校核工况考虑围岩分担的情况下，有限元计算结果明显小于结构力学计算结果，围岩分担作用明显。

通过工程实例验证可知：①本文给出的技术路线的计算精度能够满足设计工作需要；②结构体型调整后，通过几何信息共享可以快速给出有限元分析结果，解决了岔管设计过程中方案调整效率低的问题；③由于传统结构力学计算将围岩计算简单的处理为内水水头折减且无明确的计算方法，折减系数取值往往比较保守，采用有限元计算后能够为岔管设计提供更为精确的计算结果，为设计方案优化奠定了基础。

4.结论

本文以Catia软件作为BIM的基础平台，结合Ansys Workbench软件对月牙肋岔管的快速计算分析进行了研究。在实施过程中根据有限元计算需求对已有标准化月牙肋参数化模板进行了调整，通过固化有限元分析流程基于Ansys Workbench平台实现了岔管多工况的一键计算，实现了有限元计算与BIM建模的数据源统一和有限元计算结果的自动更新。本文给出的实现路径简单，在后期应用过程中对设计人员能力要求低，在工程技术人员中推广较为容易，可以为类似工程的BIM实施提供参考。

参考文献：

[1]水利水电BIM设计联盟.《水利水电工程勘测设计BIM实施指南》[Z].2019.02.13

[2]齐文强，邹柏青，李月伟.基于CATIA的月牙肋钢岔管三维设计[J].水电与新能源，2016（07）： 12-16.

[3]何新红.基于CATIA二次开发的水电站月牙肋钢岔管三维辅助设计系统[A]，2014：8.

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