一种基于CATIA计算的水闸应力稳定分析方法与流程

本发明属于水利水电工程
技术领域：
，具体是涉及一种基于catia计算水闸应力稳定分析的方法。
背景技术：
：传统水闸结构应力稳定分析，主要依据结构力学及材料力学方法，使用excel表格通过参数输入及公式编辑进行计算。这种方便计算较为方便，但是对于比较异型的结构或者不规律分布的荷载计算，计算公式十分复杂，同时可能造成较大的误差，而且对不同工程的适应性不强，需要不断调整表格。对于比较异型的结构或者不规律分布的荷载计算现如今比较精确和常用的方式为使用如ansys、abaqus、adina等有限元软件计算，需要先建立模型然后进行网格划分和函数定义,虽然计算结果比较精确，但模型建立和网格划分十分复杂，而且需要对后期的计算结果进行分析和校核才能够使用，模型的修改和调整都需要重新对网格及约束进行调整，同时对使用者有较高的有限元软件运用能力的要求，对于项目前期方案调整比较频繁的时期，将耗费很大的人力、物力和时间。技术实现要素：本发明旨在提供一种基于catia计算的水闸应力稳定分析方法，该方法在传统结构力学及材料力学基础之上，结合了catia软件强大的参数计算功能及参数测量功能，建立完全依托参数化驱动，建立水闸模型及荷载模型，即使是复杂荷载模型也可通过测量参数功能得到参数进行计算。通过修改基本参数，可完成水闸及荷载模型的修改，能够快速得到水闸应力稳定分析结果，达到了应力稳定分析的荷载分布的可视化效果，极大的提高了前期水闸体型调整的分析效率。为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：一种基于catia计算的水闸应力稳定分析方法，包括，步骤一，建立应力稳定分析计算参数；步骤二，在catia中建立水闸模型或从catia已有的水闸模型模板中加载水闸模型；步骤三，根据荷载类型、荷载位置和荷载计算方式，将荷载计算数值转化为模型体积表达方式，然后分别建立不同荷载的体积模型；步骤四，通过catia测量功能分别对不同荷载的体积模型进行体积测量，得到荷载大小参数并生成荷载体积模型的重心，测量重心与荷载作用面之间距离，生成荷载作用力臂参数；步骤五，根据水闸不同工况，建立catia设计表，控制不同工况下的荷载大小及形式；步骤六，根据传统结构力学及材料力学计算稳定应力的方式进行荷载组合及稳定应力计算，进行参数方程关系的建立；步骤七，根据水闸稳定应力规范允许值，建立判断函数，对水闸体型是否满足规范要求得出结论。进一步，所述步骤一中的应力稳定分析计算参数包括闸墩长度、底板厚度、闸门位置、闸墩厚度、底板长宽、上游灌浆平台宽度、上下游水位、建基面地质参数、泥沙参数、地震参数和扬压力参数。进一步，所述步骤一中的应力稳定分析计算参数还包括自重、门槽尺寸参数、风荷载参数、浪荷载参数和土压力参数。进一步，所述步骤三中的体积模型包括自重模型、水荷载模型、扬压力模型、泥沙荷载模型和浪荷载模型。与现有技术相比，本发明的优势在于通过catia软件强大的参数化建模功能，把复杂荷载转化为模型体积，通过测量模型体积及重心位置，得到荷载大小及作用点位置，尤其对于复杂的结构的自重、扬压力等荷载的计算，极大地提高了传统计算方式的精度和效率，同时通过对模型的可视化效果，能够很好的对模型体型及分析结果进行调整及复核；相对于有限元软件的计算也大大提高了工作效率，降低了操作难度。附图说明图1为本发明建立的水闸模型；图2为本发明建立的荷载体积模型；图3为本发明在catia操作界面中测量得到的荷载体积模型的体积大小参数值；图4为本发明在catia操作界面中通过测量生成的与荷载模型关联重心；图5为本发明在catia操作界面中通过测量荷载体积模型重心与计算截面生成的弯矩力臂参数；图6为本发明在catia操作界面中计算需要输入的初始模型参数；图7为本发明在catia操作界面中通过传统结构力学及材料力学计算公式计算过程；图8为本发明在catia操作界面中采用公式计算结果；图9为本发明在catia操作界面中采用模型工况控制参数；图10为本发明在catia操作界面中得到的稳定应力判断结果；图11为水推力载荷分布示意图；图中：1-闸墩模型，2-底板模型，3-闸门模型，4-水闸自重荷载模型，5-上游静水压力荷载模型，6-下游静水压力荷载模型，7-扬压力荷载模型，8-上游闸室内水自重荷载模型，9-下游游闸室内水自重荷载模型，10-上游闸室内静水推力荷载模型，11-下游闸室内静水推力荷载模型，12-淤沙荷载模型。具体实施方式以下结合具体实施例进一步阐述本发明的技术构思。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明的技术构思而不用于限制本发明的范围。此外，应理解在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做相应的改动或修改，这些等价改动或修改后的技术方案同样属于本申请所限定的范围。本发明基于传统结构力学及材料力学，并结合了catia软件强大的参数计算功能及测量参数功能，形成一种基于catia计算水闸应力稳定分析的方法。本实施例中以分缝位置在底板上的泄洪闸应力稳定计算为例，通过模型及荷载建模，使用参数计算应力稳定的方法，得到高效准确的计算结果。如图1～图10所示，为本实施例的计算方法过程以及在catia中的操作界面截图，截图中的树形图因文字过长未完整显示，但不影响对本实施例中技术方案的理解。如图1和2所示，为本发明基于catia计算水闸应力稳定分析的方法中的水闸模型和荷载模型，其中：图1描述了由闸墩模型1，底板模型2和闸门模型3共同组成的水闸模型。图2描述了由水闸自重荷载模型4，上游静水压力荷载模型5，下游静水压力荷载模型6，扬压力荷载模型7，上游闸室内水自重荷载模型8，下游游闸室内水自重荷载模型9，上游闸室内静水推力荷载模型10，下游闸室内静水推力荷载模型11和淤沙荷载荷载模型12共同组成的荷载模型。本实施例中基于catia计算的水闸应力稳定分析方法按照下述步骤进行：第一步：通过catia用户参数建立相关应力稳定分析计算参数，如上下游水位、泥沙容重、抗剪断摩擦系数、抗剪断黏结力等(为规范上的参数，是必要参数)，具体来说，分析计算参数分为必要参数和可选参数，必要参数包括关于水闸体型的参数(用于调整水闸体型，如闸墩长度、底板厚度、闸门位置，闸墩厚度，底板长宽，上游灌浆平台宽度等等，即影响较大的体型控制参数，影响较小的体型参数就是可选参数，例如门槽尺寸参数，该参数仅影响很小自重，且对其它荷载作用位置和大小没有较大影响的体型参数)、不同工况上下游水位参数、建基面地质参数、泥沙参数、地震参数、扬压力参数。可选参数包括风荷载参数、浪荷载参数、土压力等。其中，风荷载参数和浪荷载参数这类参数一般荷载较小，对方案影响小，使用传统经验公式求出，可采用表格计算后手动加载，也可在catia中计算，但建模会较为复杂，土压力参数可按需选取使用；如图6为初始计算参数，包括上游水位距过流面、下游水位距过流面、闸室长度、基础底面长度、闸室宽度、闸室过水断面净宽、允许承载力、地质参数f(对应抗剪断摩擦系数)、地质参数c(对应抗剪断黏结力系数)、扬压力折减系数、重力加速度、淤沙内摩察角、泥沙浮容重、上游检修闸门、工作闸门、下游检修闸门、工作门机、下游门槽和工作门槽等(具体参看下表1)，通过上述参数控制模型体型调整及稳定应力参数计算；表1第二步：通过加载catia中已有的水闸模型模板或直接在catia中建模，建立水闸模型；catia软件自身有模板建立功能，可以从已有的水闸资料库中加载设计过的水闸模型模板，也可自己根据使用要求建立新的水闸模型模板，图1中为已有的水闸模型，直接从水闸资料库中加载；第三步：根据荷载类型、荷载位置和荷载计算方式，将荷载计算数值转化为模型体积表达方式，如图2所示，分别建立水闸自重荷载模型4、上游静水压力荷载模型5、下游静水压力荷载模型6、扬压力荷载模型7、上游闸室内水自重荷载模型8、下游游闸室内水自重荷载模型9、上游闸室内静水推力荷载模型10、下游闸室内静水推力荷载模型11和淤沙荷载荷载模型12；需要说明的是，该步骤中有两种处理方式，第一种是使用catia的参数化建模功能，即通过荷载计算方式(计算公式)得到荷载曲线(二维载荷分布)或荷载曲面(三维载荷分布)，针对荷载曲线，使用偏移功能将荷载曲线转换为荷载曲面，然后通过将荷载曲面实体化，得到荷载计算数值的模型体积表达方式，针对荷载曲面，同样通过对荷载曲面的实体化，得到荷载计算数值的模型体积表达方式；第二种是根据荷载的分布方式直接转换为体积模型，在catia中建立相应体积的实体，以水推力荷载为例，如图11所示，为水推力作用在闸门上的压力分布情况，图11中海水和海底土壤交界处的压力p＝ρgh(ρ为海水密度，g为重力加速度，h为自由液面到取压点高度)，作为荷载分布三角形的底边，而h为自由液面到取压点的高度，作为荷载分布三角形的高，三角形的面积就是这个截面位置的应力，等于ρgh×h×0.5，然后再乘以整个水闸挡水的面积a＝h×b，b为水闸宽度，就可以得到整个闸门所受到的水推力了。总的荷载大小数值就为：ρgh×h×0.5×a＝ρgh×h×0.5×h×b。根据前述荷载计算情况，将三角形荷载分布沿水闸宽度转换为体积模型，即三棱柱，在catia建模过程中就建立一个三棱柱荷载模型作为水推力的体积模型，三棱柱三角形截面的高为：ρgh×h×h，底为h，柱体高度为b(水闸挡水宽度)，三棱柱的体积就为：0.5×高×底×柱体高度＝ρgh×h×0.5×h×b(等于荷载数值)，其他荷载做类似推导转化即可。第四步：通过catia测量功能分别对不同荷载体积模型进行体积测量，得到荷载大小参数，并生成重心，测量重心与荷载作用面之间的距离，生成荷载作用力臂参数；该步骤中，根据荷载类型，然后建立荷载体积模型，例如上游水推力荷载，根据水推力荷载公式换算为水推力模型体积，其实体化后得到的是三棱体状的体积模型，如图3，该模型的体积通过catia内置的测量功能得到，该模型体积大小为荷载大小，如图4，通过catia内置的测量功能生成重心确定荷载作用点，如图5，再通过测量重心到计算基础面的距离，得到力臂参数，随后算出弯矩；如图7所示，弯矩的计算结果包括底板自重弯矩、闸墩自重弯矩、淤沙弯矩、扬压力弯矩、上游顺河向静水推力弯矩、下游顺河向静水推力弯矩、水重顺河向弯矩、水重横河向弯矩、左闸室静水横向推力弯矩、右闸室静水横向推力弯矩、闸门横河向弯矩、闸门顺河向弯矩、门槽顺河向弯矩等，具体内容参看下表2。需要说明的是，图7中的计算公式均为现有规范和结构力学中的公式，这里不再赘述。表2第五步：根据水闸不同工况，建立catia设计表，控制不同工况下的荷载大小及形式，图9中描述了工况控制参数，包括上游闸门状态、工作闸门状态、下游闸门状态、水重左上、水重左下、水重右上和水重右下，具体参见下表3；表3工况控制`上游闸门状态``工作闸门状态``下游闸门状态``水重左上``水重左下``水重右上``水重右下``工况`第六步：根据传统结构力学及材料力学计算稳定应力方式进行荷载组合及稳定应力计算，进行参数方程关系建立，如图8所示，为应力计算方式和结果，包括水平推力，顺河向弯矩和，横河向弯矩和，上游应力和垂直向合力等，具体参见下表4；表4第七步：根据相关水闸稳定应力规范允许值，建立判断函数，对该水闸体型是否满足规范要求得出结论，如图10所示，通过比较大小应力比允许值、抗浮稳定允许值、抗滑稳定允许值、平均应力允许值、最大应力允许值、最小应力允许值、大小应力比、抗浮稳定系数、抗滑稳定系数、平均应力、最大应力和最小应力得出大小应力比不满足的结论，具体参见下表5。表5结论`结论\结论``结论\大小应力比允许值``结论\抗浮稳定允许值``结论\抗滑稳定允许值``结论\平均应力允许值``结论\最大应力允许值``结论\最小应力允许值``结论\大小应力比``结论\抗浮稳定系数``结论\抗滑稳定系数``结论\平均应力``结论\最大应力``结论\最小应力`采用本发明的水闸应力稳定分析方法具备以下特点和优势：第一，可视化，通过可视化对计算过程进行更快的设计、复核、修改；第二，实时调整，catia的参数系统可让模型实时调整以适应不同工况及荷载，并也可快速调整水闸体型，选取最优结构体型；第三，可以生成计算模板反复使用，提高工作效率；第四，一方面，本发明的分析方法相对传统三维应力分析软件，具有建模更加方便快速的优点，传统的三维应力分析软件需要网格划分及分析过程，操作较为繁琐；另一方面，相对于传统表格公式计算具备效率更高的优势，特别是可以建立复杂的荷载模型，本发明采用catia强大的建模功能可建立出几乎所有荷载模型，然后通过测量的方式得到准确荷载数值，不仅具有可视化的优点，更便于设计校核。尽管上述文字已经示出和描述了本发明的技术构思，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对本发明进行多种变化、修改、替换和变型。当前第1页12