水闸可视化设计系统研究及应用

 　【摘 要】在我国经济高速发展的今天，机械产业的快速崛起对于我国的发展起到了关键性的作用。不光是机械生产领域，在其他很多领域对于机械生产上的要求也是越来越多。比如水利建设中使用水闸可视化设计的操作系统来辅助水利工程进行管理。在此之中关于ANSYS的有限元使用的作用就显现出来了。在一些水闸的管理中，有限元方法有着独特的工作优势，这一产品在未来的前景也是十分广泛。在本文中我们就对基于ANSYS的有限元方法在水闸可视化设计系统的概念进行分析和介绍。 

　　【关键词】ANSYS；水闸可视化；有限元 

　　现今，社会科技的发展离不了机械技术的强有力的支持，如何又快又好的使用机械设备，使得这些大型的机械设备能发挥出最大的功效，是作为一名技术人员一直追求要完成的任务。我们发现，在创造了水闸可视化技术后，很多机械中的人力无法完成的任务，通过这一新兴技术就可以很好的解决。下面我们就基于ANSYS的有限元的水闸可视化系统进行分析、讨论。 

　　1 基于ANSYS的水闸可视化系统作用 

　　有限元方法在机械使用中大多作为一种检测工作，在机械出现小故障时，该技术使用的较为普遍，它可以将机械系统中的小构件联接在一起，实现了机械体系的完整性。增强了机械整体的刚度，控制了构件于构件之间的紧密性，使得机械在使用中的效率更高。在这里我们所说的有限元方法是采用可视化的方式进行工作的，它是结合了视觉观察的思想概念，结合了可视化装置和辅助指导装置进行的水闸的控制工作。这里谈到了可视化装置是由四个显示屏分为两组，做交替的监控循环，这些元件在监控的操作下，不断的完成动力控制的功能，最终促使辅助指导装置运行。 

　　用ANSYS进行闸室结构分析需要创建有限元模型（创建几何模型，划分网格）、施加荷载并求解、查看结果建三个步骤进行。采用ANSYS中的求解器和细部分解后处理器。通过表示模型显示闸室结构，分析几何模型，同时将资料以*.db文件的形式保存在ANSYS核心数据库中，并通过闸室结构分析表示模型显示其应力及变形情况，这些可在ANSYS的后处理部分实现。ANSYS和材料力学方法尽管在上下游侧计算结果有所不同：上游侧材料力学方法比ANSYS计算的应力值大，而在下游侧材料力学方法比ANSYS计算的应力值小，但相差不大，最大误差百分比为5%，在误差的范围内不会出现很大幅度的波动。在设计系统的开发使用的过程中，上下游闸门出的材料结构的力学模型构建出的力矩值都会比使用ANSYS计算的应力值大， 最大误差百分比13%，而在闸门中部会出现一定的波动现象，但是出现的波动不会太大，我们常常可以忽略不计。通过这样大量的数学计算可以看出，对于闸墩底部应力，将闸墩从闸室分离出来，按照平面的材料力学方法进行计算，引起的误差不大，使用可视化设计的水闸系统的可靠性非常的高。 

　　2 水闸可视化基于ANSYS的有限元方法分析 

　　以目前国内的水利机械使用情况来看，对于有限元方法的使用存在着很大的漏洞，最主要的原因就是可视化模型在使用中出现损坏的情况较为严重。经过技术分析，得出造成损坏的最主要的原因还是模型在受力上的影响。过去设计可视化都是处于经验方面的总结，很难在细节上有很大的创新，往往在一些重点的可控部位没有设置合理的材料进行监控和管理。当引进了基于ANSYS的有限元方法后，我们可以通过计算机软件改变设计中出现的缺陷。 

　　2.1 使用ANSYS的有限元软件分析闸门受力情况 

　　在有限元方法的使用中，模型主要受到来自弯扭方面的应力，而不是常常认为的轴向受力。通过有限元软件可以计算出模型在受弯扭变形时的应力变化，根据这些应力变化数据我们可以在闸门设计出具体部位使用材料的指导书。适当的加大模型的体积，就可以很好的降低有限元方法的输出扭转率。通过改变有限元方法的结构设置，可以起到很好的质量比重，这些对于闸门系统的长期使用和增加使用寿命都有很大的帮助。 

　　我们以某市的排涝闸门设计为例进行说明： 

　　在根据当地的水文情况，结合地质信息，考虑到闸门设计前的渗流情况，在可视化系统的完善中，取得地下水位-2.5m，将设计空洞变成四孔闸门，通过有限元软件的计算，得到闸门受力部位的荷载图。见表1。 

　　表1 上部荷载列表 

　　从外河侧到内河侧，取0.2，0.4，0.6，0.8闸身长的截面，按弹性地基梁计算底板内力。外河侧弯矩取0.2截面弯矩值，内河侧弯矩取其余三个截面绝对值较大的弯矩值。对稳定计算荷载加上荷载系数后，重新进行控制工况稳定计算，这样求得的地基反力用来计算结构内力，最后进行配筋计算。为安全起见，将完建工况也列入弹地基性梁的计算，求弯矩包络。 

　　表2 弯矩包络 

　　通过在包络图的指导下，建立有效的可视化系统，形成更好的工程实例方案。 

　　2.2 详解使用有限元分析下的闸门可视化系统 

　　基于ANSYS的有限元的分析软件，旨在将构件划分为多个单元，对于复杂的构件变为多个不同单元，可以简化计算过程，还能够对构件的使用性能更加的了解。将有限元方法的整体结构细化为12个独立的单元体，每个单元体处于不同的区域之内，在受力的情况下，记录下每个构件的承载情况，建立起合适的数学模型。 

　　3 水闸可视化系统的具体操作 

　　利用ANSYS的有限元是基于构造物的几何形状进行衍生出来的，它可以是采用自上部结构而往下下（直接生成体或面）或自下部结构而往上（依次生成点、线、面、体），然后再对该实体模型进行网格，这样的好处是不怕破坏构造物的整体框架，又可以在最简短的时间内建立水闸系统最本质的三维图形。 

　　在实际的水闸设计案例中我们对水闸基础做出相应的介绍。其闸室的类型多为一孔一联的模式，对于计算过程中，为了更加的简单，不设置铺盖，在对于渗流的计算中采用插值法，可视化的计算略去了闸门顶部的重量，直接以闸门槽中减少的面积作为运算数据，没有地震方面的荷载值，设计过程中模拟闸门运行的状态，考虑到设计水位的变化，闸门同时受到上下游水位高低的影响，充分在有限元中考虑到水重、闸门重量、地基承载力以及地基反力。 

　　利用模拟概念生成闸门效果法。在ANSYS中直接把模型中的可视化以创建多个控制点单元的形式表达出来，构建最初的有限元模拟模型。在定义ANSYS模拟概念模型之前，必须确定每个闸门控制点的位置，这也就是定义的初始点概念，把每个点的特性分析清楚，包括控制点的形状、大小、方位以及点与点之间连接的频率。 

　　4 结束语 

　　在水闸可视化使用ANSYS还会存在一定的不足，比如图形导入的时候，相应的数值会出现乱码的现象，或是导入的图像边缘有锐化的现象，数据可以根据我们后期的要求进行修改。但是锐化的现象就很难做处理，不过这对设计没有很大的要求。建模的整个过程是非常复杂的过程，要理清各个控制点的具体参数指标，整体的把握边界条件，建立出的闸门模型有的时候还不能完全的代表系统本身的特性，我们就需要在多个方面进行改进。根据对闸门可视化工作状态的了解，可以使上文提到的模拟概念生成的效率大大提高，对于设计上也减轻了工作量，确保了设计中水闸可视化在关键技术上的控制和相关的可靠性大大提高。 

　　参考文献： 

　　[l]左东启，王世夏，林益才.水工建筑物[J].河海大学出版社，2005（17）. 

　　[2]谈松曦，水闸设计[M]，北京水利电力出版社，2006（19）. 

　　[3]王世夏，水工设计的理论和方法[J]，中国水利水电出版社，2000（14）.