平面闸门全过程三维参数化设计及应用_哈佳.pdf

第4 1卷第5期2023年5月水 电 能 源 科 学W a t e r R e s o u r c e s a n d P o w e rV o l.4 1 N o.5M a y 2 0 2 3D O I:1 0.2 0 0 4 0/j.c n k i.1 0 0 0-7 7 0 9.2 0 2 3.2 0 2 2 1 9 7 8平面闸门全过程三维参数化设计及应用哈 佳1,2,张雪才1,2,陈丽晔1,2,张富富1,2(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 4 5 0 0 0 3;2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹),河南 郑州 4 5 0 0 0 3)摘要:针对目前闸门设计中存在设计质量不稳定、设计周期长、重复工作量大等问题,基于全过程三维参数化设计理念,依据设计规范和手册,提出了一种闸门全过程三维参数化设计方法,即在同一平台W o r k b e n c h通过编写相应程序实现平面闸门结构的三维参数化几何建模、空间结构分析和工程出图。工程应用结果表明,该方法可使闸门结构由平面设计过渡到空间设计,设计过程更加直观形象,提高了设计的质量和效率,减少了设计过程中因设计变更产生的重复性工作量。关键词:平面闸门;全过程;三维参数化;三维结构分析;数字设计中图分类号:TV 6 6 3.4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 7 0 9(2 0 2 3)0 5-0 1 7 8-0 4收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 1,修回日期:2 0 2 2-1 0-1 9基金项目:国家自然科学基金项目(5 1 1 7 9 1 6 4);河南省博士后科研启动项目(2 0 2 1 0 2 0 8 8);黄河设计公司博士后研究开发项目(2 0 2 0 B S H Z L 0 6)作者简介:哈佳(1 9 8 0-),男,高级工程师,研究方向为水利工程勘察设计,E-m a i l:2 9 1 1 9 2 7 0q q.c o m通讯作者:张雪才(1 9 9 0-),男,博士、工程师,研究方向为水利工程勘察设计,E-m a i l:x n z x c 1 9 9 01 6 3.c o m1 引言通常 闸 门 结 构 的 计 算 大 多 采 用 平 面 体 系法1,但设计方式仍存在设计质量不稳定2、设计周期较长、重复工作量大等问题。随着科技的进步,闸门设计方式也发生着变化,主要有两种方法:采用空间体系法对闸门整体结构进行分析3,但在成果交付方面仍不能满足工程需要;采用建模软件建立闸门结构几何模型,通过自带有限元程序或其他有限元软件进行分析4-7,但这种方式也存在不足:闸门结构计算仍采用平面体系法,三维成果交付不完善,并非真正意义上的三维设计;采用三维建模软件与编程平台结合,存在接口衔接问题;三维几何建模过程复杂,还需单独建立定位网格轴线装配闸门整体结构;自带有限元分析模块中单元类型不完善、网格质量不高,分析结果误差较大;三维几何模型导入有限元软件进行网格划分时,往往出现结构模型失真的问题。为此,本文鉴于W o r k b e n c h具有强大的参数化建模、分析、出图等功能,提出了采用W o r k b e n c h对闸门进行全过程三维参数化设计的新方法,以期为闸门结构布局、尺寸优化及数字化设计奠定基础。2 三维参数化设计架构基于全过程三维参数化设计理念,依据闸门设计规范1和手册8,采用W o r k b e n c h设计平台编写闸门三维参数化几何建模程序,并直接将几何模型进行三维结构分析和工程出图。三维参数化几何建模参数可分为位置参数和尺寸参数,位置参数主要指确定顶梁、主梁、水平次梁、底梁、竖直次梁、边梁、吊耳和行走支承等结构位置的变量,尺寸参数主要指确定闸门面板、顶梁、主梁、水平次梁、底梁、竖直次梁、边梁、吊耳和行走支承等结构具体尺寸的变量。三维结构分析时遵循相应的分析原则2来确保分析结果的合理性和准确性,工程出图遵照相关的制图标准。设计时先根据实际工程孔口尺寸、设计水头和运用条件,依据设计规范1和手册8、并结合工程经验快速建立闸门三维几何模型、对三维几何模型进行网格划分、施加边界条件和分析计算,若不满足规范要求,则通过调整相应参数重复上述过程,直至闸门三维参数化设计全过程中几何模型的真实性、有限元模型的正确性、边界条件的恰当性、分析结果第4 1卷第5期哈 佳等:平面闸门全过程三维参数化设计及应用的合理性和工程图纸的实用性等均满足设计要求。闸门全过程三维参数化设计架构见图1。图1 闸门全过程三维参数化设计架构F i g.1 T h r e e d i m e n s i o n a l p a r a m e t r i c d e s i g n f r a m e w o r k f o r t h e w h o l e p r o c e s s o f g a t e s t r u c t u r e采用全过程三维参数化方法对闸门设计的要点:要熟悉和明晰闸门结构的整体组成、门体布置、作用荷载和传力路径;要掌握W o r k b e n c h中参数化几何建模过程和有限元分析理论;要全局把控参数化几何建模的关联性和传递性、参数化几何建模与参数化网格划分、施加约束、参数化施加荷载和结果分析间的内在联系;从理论分析、试验和工程经验等方面对分析结果进行评价。3 三维参数化几何建模以平面滑动闸门为例说明参数化几何建模架构。首先根据工程资料确定孔口的宽度和高度;其次明确平面闸门的结构布置型式;再次依据闸门设计规范1并通过工程类比或经验的方式初步确定不同结构的位置参数和尺寸参数;最后对几何模型进行完善,确保满足设计规范要求和实际工程需求。采用三维参数化方法建立平面闸门结构几何模型见图2。吊耳顶梁主梁竖直次梁水平次梁边梁底梁图2 闸门结构几何模型F i g.2 G e o m e t r i c m o d e l o f g a t e三维参数化几何建模的位置参数可初步确定闸门结构的整体布局,是尺寸参数的基础;尺寸参数用来确定各构件的具体尺寸,是位置参数的具体体现。尺寸参数主要包括闸门面板、主梁、水平次梁、竖直次梁、顶梁、底梁、边梁、行走支承和吊耳等结构尺寸。为更直观表现闸门结构的尺寸参数,分别给出面板(图3)、主梁(图4)、水平次梁(图5)、竖直次梁(图6)、边梁(图7)、顶梁和底梁(图8)、吊耳(图9)、滑块(图1 0)等主要构件的二(a)二维视图(b)三维模型HMB_gWMB_kTMB_h图3 面板结构F i g.3 P a n e l s t r u c t u r e o f g a t e(a)二维视图(b)三维模型HZL_xyy_gTZL_xyy_hHZL_syy_hTZL_fb_hHZL_syy_gWZL_cHZL_fb_g图4 主梁结构F i g.4 M a i n b e a m s t r u c t u r eTCHL_yy_hLCHL_cHCHL_fb_gTCHL_fb_hHCHL_yy_g(a)二维视图(b)三维模型图5 水平次梁结构F i g.5 H o r i z o n t a l s e c o n d a r y b e a m s t r u c t u r eTL_fb_hSCTSCL_yy_hHSCL_gHSCL_fb_gWSCL_yy_k(a)二维视图(b)三维模型图6 竖直次梁结构F i g.6 V e r t i c a l s e c o n d a r y b e a m s t r u c t u r eTBianL_fb_hDBianL_fb_jjTBianL_yy_hHBianL_fb_gHBianL_gWBianL_yy_k(a)二维视图(b)三维模型图7 边梁结构F i g.7 S i d e b e a m s t r u c t u r eHDil_yy_gHDil_fb_gLDil_cTDil_fb_hTDil_yy_h(a)二维视图(b)三维模型图8 底梁结构F i g.8 B o t t o m b e a m s t r u c t u r e971DDeb_dj_gDDeb_zk_zjDDeb_jqb_zjWDeb_kTDeb_hTDeb_jqb_h(a)二维视图(b)三维模型图9 吊耳结构F i g.9 L i f t i n g l u g s t r u c t u r e(a)二维视图(b)三维模型HhHcHaA-AHkHHLAAHb图1 0 弧面滑块结构F i g.1 0 S t r u c t u r e o f G l o b o i d a l s l i d e r维图和三维图。位置参数和尺寸参数的逻辑关系见表1。4 三维结构分析将 三 维 参 数 化 建 立 的 几 何 模 型 直 接 导 入W o r k b e n c h结构分析模块,对闸门结构赋予材料属性、网格划分、施加约束和荷载、结果分析。闸门常用材料为钢结构,规范1规定其弹性模量取2.0 61 05MP a,质量密度7 8 5 0 k g/m3,泊松比0.3。采用S o l i d 1 8 6 结构实体单元对闸门结构进行模拟,尽管网格划分和分析计算工作量稍大,但分析精度较高3,S o l i d 1 8 6为高阶三维2 0节点实体单元,每个节点有3个自由度,即沿节点坐标系x、y、z方向的平动位移。施加约束和荷载一般根据闸门实际情况进行施加,对表孔闸门,一般在闸门底缘处施加沿门叶向上的位移约束,在主滑块下表面施加沿水流方向的位移约束;对潜孔闸门,一般在闸门底缘施加沿门体向上的位移约束,在主滑块下表面和门楣处施加沿水流方向的位移约束,计算荷载均为门体自重和水荷载。结果分析一般提取闸门整体结构的等效应力和沿水流方向的位移,据此判断结构的强度和刚度。闸门结构的有限元模型见图1 1(a),分析结果见图1 1(b)、(c)。5 工程出图将三维参数化建立的几何模型采用W o r k-b e n c h的前处理模块打开,直接导入二维工程图(图1 2),同时还可根据实际需要定制工程图纸模表1 位置参数和尺寸参数的逻辑关系T a b.1 L o g i c a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p o s i t i o n p a r a m e t e r s a n d d i m e n s i o n p a r a m e t e r s序号位置参数(图2)尺寸参数(图3 1 0)独立参数非独立参数说明1面板结构WM B_k(面板宽度)、HM B_g(面板高度)、TM B_h(面板厚度)共计3个02YZ L 1、YZ L 2(主梁位置)HZ L_x y y_g(主梁下翼缘高度)、TZ L_x y y_h(主梁下翼缘厚度);HZ L_s y y_g(主梁上翼缘高度)、TZ L_s y y_h(主梁上翼缘厚度)、HZ L_f b_g(主梁腹板高度)、TZ L_f b_h(主梁腹板厚度)共计6个WZ L_c(主梁长度),一般等于闸门宽度,共计1个3YC H L 1、YC H L 2(水平次梁位置)HC H L_y y_g(水 平 次 梁 翼 缘 高 度)、TC H L_y y_h(水 平 次 梁 翼 缘 厚 度)、TC H L_f b_h(水平次梁腹板厚度)、HC H L_f b_g(水平次梁腹板高度)共计4个LC H L_c(水平次梁长度),一般等于闸门宽度,共计1个4YD i L(底梁位置)HD i L_y y_g(底梁翼缘高度)、TD i L_y y_h(底梁翼缘厚度)、HD i L_f b_g(底梁腹板高度)、TD i L_f b_h(底梁腹板厚度)共计4个LD i L_c(底梁长度),一般等于闸门宽度,共计1个5LS C L 1、LS C L 2(竖直次梁位置)HS C L_f b_g(竖直次梁腹板高度)、TS C L_f b_h(竖直次梁腹板厚度)、WS C L_y y_k(竖直次梁翼缘宽度)、TS C