齊成龍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

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達(dá)索3D體驗平臺橋墩建模分析一體化探索應(yīng)用

齊成龍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

達(dá)索3D體驗平臺融合了計算分析模塊SIMULIA，與其原有的三維建模模塊CATIA結(jié)合，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計建模和計算分析各自獨(dú)立完成的狀態(tài)；為了驗證其一體化流程，以一座實際工程中的橋墩為研究對象，在達(dá)索3D體驗平臺下對該橋墩從建模到分析計算的一體化進(jìn)行初步探索。結(jié)果表明：這一嘗試初步實現(xiàn)了從結(jié)構(gòu)設(shè)計建模到分析計算的無縫銜接，同時，對修改后模型的重新計算提高了效率，適合于真實設(shè)計的流程。

達(dá)索3D體驗平臺；SIMULIA；橋墩

三維計算仿真分析軟件在業(yè)內(nèi)早已成熟，有限元計算分析的基本流程是：前處理-計算分析-后處理。前處理是建立單元、加荷載、加約束的過程，傳統(tǒng)CAE軟件的單元建立是分析人員根據(jù)二維或三維幾何模型所描述的空間位置關(guān)系實現(xiàn)的，同時材料特性與荷載值也是由分析人員在有限元建模過程中施加。

BIM是目前土木工程行業(yè)三維應(yīng)用最為流行的軟件[1]，大多數(shù)BIM軟件都致力于三維幾何模型的建立及其他建筑信息的體現(xiàn)。目前，大多數(shù)軟件很難實現(xiàn)基于BIM模型的計算分析。達(dá)索3D體驗平臺面向客戶需求，利用自身特點，通過CATIA和SIMULIA兩個模塊的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)設(shè)計建模和仿真分析的無縫銜接。SIMULIA主要是將有限元分析軟件ABAQUS的功能引入達(dá)索平臺而形成，使得計算分析人員能夠通過SIMULIA訪問設(shè)計人員通過CATIA建立的模型數(shù)據(jù)。而設(shè)計人員建立的CATIA模型數(shù)據(jù)包含了結(jié)構(gòu)的幾何信息、材料屬性，分析人員直接利用這些信息可以簡化前處理過程，同時CATIA幾何模型的變化能在計算模型中體現(xiàn)，省去了傳統(tǒng)軟件環(huán)境下，變更設(shè)計造成的大量前處理工作。本文以某橋墩為研究對象，在達(dá)索3D體驗平臺的應(yīng)用環(huán)境下，探索了從設(shè)計建模到計算分析的一體化流程。

1 設(shè)計建模

與汽車和機(jī)械制造行業(yè)不同，橋梁結(jié)構(gòu)有其自身的特點，橋梁結(jié)構(gòu)的大部分組成為結(jié)構(gòu)構(gòu)件而不是標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件[2]。結(jié)構(gòu)單元的形式和尺寸變化很大，不適合做成零件進(jìn)行裝配，但是這些結(jié)構(gòu)的變化又存在一定的規(guī)則，可以做成模板而重用。

所謂模板即對于一類有類似性的構(gòu)件或特征結(jié)合參數(shù)進(jìn)行歸集化建模而形成的模型，由于此模型可以依據(jù)不同的外部參考條件和自身參數(shù)的變化而形成一系列的模型(此過程為知識模板的實例化)，故稱為知識或智能模板[1]。

傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計當(dāng)中，零件相對位置關(guān)系的確定是通過裝配操作實現(xiàn)的[3]。基于“骨架-模板”方法的橋梁三維建模將某些控制性關(guān)鍵節(jié)點作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件建模的基準(zhǔn)，這些控制性元素就被稱為骨架，由骨架驅(qū)動的建模方法省去了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計中的裝配操作，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)單元的定位。同時，由表格數(shù)據(jù)控制模板的開放參數(shù)，實現(xiàn)模板的個性化實例。

橋墩建模即是按照上述“骨架-模板”方法在達(dá)索3D體驗平臺的CATIA模塊實現(xiàn)的，具體過程不再贅述，對于實例化以后的一個橋墩模型，樹形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋墩幾何模型的樹形結(jié)構(gòu)圖

墩身、頂帽、托盤、墊石，作為構(gòu)成三維幾何模型的4個部分，每一部分作為單獨(dú)的零件置于總裝配文件下，橋墩骨架零件內(nèi)含結(jié)構(gòu)尺寸和墩身外力的參數(shù)，其中，結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)控制墩身、頂帽、托盤、墊石這4個部分的幾何形狀，墩身外力參數(shù)描述荷載大小。總裝配文件下的材料節(jié)點存儲了結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征參數(shù)，包括密度、彈模、泊松比、熱膨脹系數(shù)等。

2 仿真分析

本節(jié)描述了常規(guī)分析和變更分析兩個過程：在達(dá)索3D體驗平臺下，基于之前在CATIA模塊已經(jīng)完成的橋墩幾何模型，切換到SIMULIA模塊進(jìn)行相應(yīng)的計算分析，此為常規(guī)分析過程；修改幾何模型，并對修改后的模型再次執(zhí)行分析計算，此為變更分析過程。

2.1 單元劃分

單元劃分包括實體單元劃分和殼單元劃分兩項內(nèi)容，實體單元劃分即對墩身、頂帽、托盤、墊石四種實體三維幾何模型劃分單元。殼單元劃分是從一個已經(jīng)存在的三維實體單元表面抽取殼單元，在SIMULIA當(dāng)中，約束及面荷載的施加是以幾何面元素作為載體，但是所選擇的幾何面元素必須覆蓋有殼單元。

三維幾何模型在劃分網(wǎng)格時采用線性實體四面體單元。為了劃分順利與分析準(zhǔn)確，對局部劃分單元段數(shù)或單元尺寸進(jìn)行指定(見圖2)。

實體單元劃分時，每次僅能對一個零件下的幾何模型執(zhí)行操作，該橋墩由四個存儲三維幾何模型的零件組成，執(zhí)行四次單元劃分操作后，得到有限元模型如圖3所示。但是這個橋墩有限元模型由四個互不相關(guān)的獨(dú)立部分組成，需要通過約束使這些獨(dú)立部分共同工作。

圖2 局部單元劃分段數(shù)指定

圖3 劃分整體結(jié)果

為了便于施加約束與荷載，在前述四個三維幾何模型的頂面、底面生成殼單元，通過SIMULIA的Coating 2D Mesh功能實現(xiàn)。

劃分網(wǎng)格以后，需要對這些網(wǎng)格指定材料特性，實體單元和殼單元材料特性指定分別如圖4和圖5所示。

圖4 實體單元材料特性指定

圖5 殼單元材料特性指定

圖1所示的模型結(jié)構(gòu)樹當(dāng)中，總裝配節(jié)點下包含材料特性子節(jié)點，圖4、圖5所示的材料特性指定界面直接引用了這些在CATIA模塊下建立的子節(jié)點。

殼單元建立以后，執(zhí)行tie約束實現(xiàn)對四個獨(dú)立三維有限元模型的約束，執(zhí)行tie約束選擇的支持面為被殼單元所覆蓋的幾何面(見圖6)。

執(zhí)行三次tie約束，支持面分別為墩身頂面+頂帽底面、頂帽頂面+托盤底面、托盤頂面+墊石底面。通過這個約束，使橋墩有限元模型分散的四個部分整合為一體。

2.2 分析設(shè)置

本節(jié)所述操作在SIMULIA的結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行。

定義分析過程以前，需要對網(wǎng)格指定單元類型，如圖7所示。

圖6 有限元模型之間的約束

圖7 單元類型指定

本次僅對該橋墩執(zhí)行結(jié)構(gòu)靜力分析，SIMULIA提供兩種靜力分析荷載步類型：general analysis steps(簡稱G荷載步)和linear perturbation steps(簡稱L荷載步)。

如圖8所示，每一個G荷載步的計算是基于前一個G荷載步的，它的計算結(jié)果也會被下一個G荷載步繼承；每一個L荷載步的計算是基于前一個G荷載步的，它的計算結(jié)果不會被其他荷載步繼承。因此，使用G荷載步模擬連續(xù)性的工況，使用L荷載步模擬獨(dú)立的工況，比如用于觀察某一種荷載作用對結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)兩種類型荷載步的特點，建立8個荷載步(見表1)。

圖8 兩種荷載步的繼承關(guān)系

荷載步編號荷載步類型加荷載加約束1G墩底固定2L墩頂豎向荷載3L墩頂橫向荷載4L墩頂縱向荷載5L墩身降溫荷載6L墩身升溫荷載7G墩身自重8G墩頂三向荷載及降溫

通過第2～7荷載步可以觀察每種荷載單獨(dú)作用時的橋墩受力狀況，第7～8荷載步可以觀察橋墩從澆筑到運(yùn)營各階段的受力累計狀況。

在荷載定義過程中，引用了幾何模型中的參數(shù)。如圖9所示，被引用的幾何模型參數(shù)，包括荷載值和作用面積，作為外部參數(shù)出現(xiàn)在模型分析的子節(jié)點上。

2.3 后處理

執(zhí)行上一節(jié)定義的分析過程，切換到SIMULIA的結(jié)果查看模塊，第3、8荷載步的位移結(jié)果分別如圖10、圖11所示。

圖9 荷載步引用的外部參數(shù)

圖10 第3荷載步時的位移矢量

圖10、圖11分別顯示了在墩頂橫向荷載作用時以及在運(yùn)營荷載作用時的墩身位移矢量。

整體計算分析過程與建模過程一起全部體現(xiàn)在左側(cè)的樹結(jié)構(gòu)中，真正做到了從建模到分析的一體化流程(見圖12)。

圖11 第8荷載步時的位移矢量

圖12 仿真分析的樹結(jié)構(gòu)

2.4 模型修改計算

在現(xiàn)實設(shè)計中，模型更改是很普遍的現(xiàn)象。對于傳統(tǒng)設(shè)計過程，幾何模型更改后的有限元計算基本上是通過在CAE軟件上補(bǔ)充修改有限元模型實現(xiàn)的，例如更改單元布置及約束條件等。融合了有限元計算功能的達(dá)索3D體驗平臺可以實現(xiàn)幾何模型更改與有限元計算模型更新的無縫銜接。

為了模擬這一過程，在CATIA模塊對橋墩的墩身高度參數(shù)由原來的6 m修改為8 m，切換到SIMULIA模塊，不需多余操作，更新后即可得到新的有限元模型，修改前后的有限元模型如圖13所示。

重新執(zhí)行計算，得到墩身高度8 m時運(yùn)營荷載作用下的墩身位移矢量圖(見圖14)。

圖13 墩身高度修改前后的有限元模型對比

圖14 第8荷載步時的位移矢量圖(墩高為8 m)

模型尺寸修改完成后，只需重新執(zhí)行分析計算，結(jié)果自然更新，不需要再重復(fù)劃分網(wǎng)格、加約束和荷載以及指定分析類型等，大大提高了效率。

3 結(jié)論

通過在達(dá)索3D體驗平臺上對橋墩結(jié)構(gòu)的分析，初步實現(xiàn)了從結(jié)構(gòu)設(shè)計建模到分析計算的無縫銜接，同時，對修改后模型的重新計算分析提高了效率，適合于真實設(shè)計的流程。達(dá)索3D體驗平臺在設(shè)計建模和仿真分析一體化方面的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：

(1)在CATIA模塊，給幾何模型的總裝配文件添加材料屬性節(jié)點，該節(jié)點包含了材料的力學(xué)特性，切換到SIMULIA模塊后，在給網(wǎng)格賦予材料屬性時，可以直接引用此節(jié)點。省去了傳統(tǒng)CAE環(huán)境下在有限元分析過程中輸入材料力學(xué)特性的麻煩。

(2)在橋墩骨架零件當(dāng)中包含有外力參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)(見圖1)，這些參數(shù)在CATIA模塊下被發(fā)布以后，可以被SIMULIA模塊下的荷載定義過程所引用。

(3)墩身高度作為橋墩骨架零件當(dāng)中的一個參數(shù)，修改后，設(shè)計模型與計算模型同步更新，重新執(zhí)行分析即可得到新的計算結(jié)果。

本文借助某橋墩結(jié)構(gòu)的靜力計算分析，對達(dá)索3D體驗平臺從結(jié)構(gòu)設(shè)計建模到分析計算的一體化過程進(jìn)行了探索。但實際計算分析要比本文中復(fù)雜得多，有時模型并不一定可以完全直接一步到位，需要進(jìn)行一定程度修改才能成為可以分析的計算模型。

[1]張磊.達(dá)索V6平臺橋梁建模分析一體化探索應(yīng)用[J].計算機(jī)輔助工程,2013,10(S2):372-375.

[2]黃俊炫，張磊，葉藝.基于CATIA的大型橋梁三維建模方法[J].土木建筑工程信息技術(shù),2012(4):35-37.

[3]葉鵬，楊波，熊欣，等.基于CAA的汽車制動器三維零件庫開發(fā)[J].汽車工程師,2011(7):48-51.

[4]龍輝元.BIM技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討與案例[J].土木建筑工程信息技術(shù),2010,2(4):89-93.

[5]張譯.仿真生命周期管理在現(xiàn)實仿真工作中的意義[J].計算機(jī)輔助工程,2013,10(S2):400-403.

[6]邵光華,高愛麗,譚曉慧,等.BIM 技術(shù)在某建筑實例排水管道設(shè)計中的應(yīng)用[J].青島理工大學(xué)學(xué)報,2015.36(1):90-96.

Integrative pier modeling and analysis on DS 3D experience platform

QI Cheng-long

(BridgeDesignDepartment,ThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300142,China)

Combining its original CATIA module, DS 3D experience platform has changed the traditional process that design and calculation are carried out independently by integrating the new calculation and analysis module SIMULIA. To verify the integration process, preliminary exploration on the integration of a pier modeling and calculation is executed here on DS 3D experience platform. As a result, this exploration has primarily realized the seamless transition from design to calculation. Efficiency enhancement by the recalculation of modified model is adaptive to the real design process.

DS 3D experience platform; SIMULIA; pier

2015-06-17

齊成龍(1986-)，男，吉林公主嶺人，碩士，工程師。

1674-7046(2015)06-0031-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.06.007

U442.5

A