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摘 要：使用钢制流道的轴流泵站方案，具有施工方便、不易开裂、使用寿命长等优点，然其复杂水力条件引起的钢制薄壁结构流激振动问题亟待解决。在解决这一类问题时，流固耦合数值仿真计算中CAD和CAE两大技术通常独立应用，造成了其过程效率较低、成本较高、周期较长等。引入CAD/CAE一体化系统，实现泵站钢制流道仿真模拟的精准建模，并利用CAD/CAE交互接口进行钢制流道结构优化初步实践。结果表明，CAD/CAE一体化系统实现了水利水电工程中特定流固耦合数值仿真问题的精准建模和快速优化设计，大大提高了水利水电工程中设计—分析—优化过程的效率。
关键词：钢制流道;轴流泵站;流固耦合;CAD/CAE一体化;精准建模;结构优化
中图分类号：TV675;TV332.4 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.022
引用格式：谢伟，陈坚.基于CAD/CAE的泵站装置流固耦合數值仿真[J].人民黄河，2021，43（10）：114-118.
Abstract： The novel axial-flow pumping station scheme with steel-made runner comparatively has shown many edges such as its convenient construction， crack-proof performance， and long service life. However， the vibration of the structure caused by hydraulic excitation is of great concern and worthy of investigation. In solving this kind of problem， numerical simulation through fluid-structure interaction analysis is a trendy research topic. However， the CAD and CAE technologies are usually applied independently， making the process inefficient， long-term and high-cost. With a CAD/CAE integration system applied in this paper， a precise simulation model was established and applied for the preliminary practice of structural optimization through the CAD/CAE interactive interface. The results turn out that the precise modeling and rapid optimization design of specific problems in hydraulic and hydroelectric engineering projects are realized and the efficiency of the iterative design-analysis-optimization process is greatly improved， which helps provide a feasible and efficient analysis method for the optimization design for hydraulic and hydroelectric engineering projects.
Key words： steel-made flow passage; axial-flow pumping station; fluid-structure interaction; CAD/CAE integration; precise modeling; structural optimization
为了保证流道水面线形流畅且尽可能减小过水阻力，常规轴流泵站采用混凝土流道，但混凝土流道施工要求尤为严格，施工难度大，且渐变的异型钢筋绑扎与安装困难，因此使用钢制流道的轴流泵站方案被采用。钢制流道方案具有施工简便、不易产生裂缝、泵站装置安装方便等优点，但复杂的水力条件引起钢制薄壁结构的流激振动及疲劳破坏[1]等问题亟待解决。涉及学科交叉的流固耦合研究已逐渐成为解决这一问题的热点。
随着CFD流体动力学研究的不断完善，对泵站内部流场的仿真模拟及流固耦合研究的要求和需求越来越高[2-4]。然而流固耦合分析过程烦琐、难度大，且CAD、CAE系统间数据的单向传递性使得流固耦合研究难以实现精准数值仿真及设计—分析—优化的全过程闭合循环。近年来，实现CAD、CAE平台之间数据双向传递、无缝连接的CAD/CAE一体化技术已逐渐成为工程界的一个热点研究方向[5-8]。
本文结合某钢制流道轴流泵站项目，基于以CATIA为主的CAD软件与结构分析软件ANSYS的交互式接口CAPRI[9]，以ANSYS Workbench为主要CAE平台，引入CAD/CAE一体化技术，进行精准建模和流固耦合分析，并通过参数变动快速实现计算模型的改进，进行结构优化初步实践，为水利水电领域中某些复杂有限元优化分析提供一种可行、便捷的研究方法。
1 流固耦合理论
流固耦合的本质是研究固体变形对流场影响以及流体对可变形固体影响，其建立在计算流体力学、固体力学的理论基础上。控制方程为 流体运动需要遵循水力学客观规律，即质量、动量、能量三大守恒定律，而相應的控制方程是其在数学上的体现。
本文泵站项目中流体的流动满足上述基本守恒规律，流体瞬时运动可用Navier-Stokes[10]方程（直角坐标系中采用张量形式）加以描述：
2 CAD/CAE一体化方法
CAD/CAE一体化技术以CATIA为主要CAD平台、以ANSYS Workbench为主要CAE平台，本文结合两者之间的交互式接口CAPRI技术进行流固耦合分析，并通过参数变动快速实现计算模型的改进，进行结构优化初步实践。特别地，通过使用ANSYS Workbench中关键的参数管理器（Parameter Manager）增强设计迭代，以及应用智能更新设计方案的功能，在调整参数后可选定更新零件而不是整个装配体，即进行局部更新，有利于充分发挥CATIA的装配优点，大大提高分析效率。
分析流程：在CAD平台CATIA中进行参数化建模并设置参数，通过无缝连接的CAPRI接口，将携带参数P的精准模型导入ANSYS Workbench（WB）中用于有限元分析，若设计结果较为满意则结束，否则基于Parameter Manager（PM），通过调整获得新的参数P，采用CAPRI接口无缝、智能更新模型，如此循环（见图1）。本文结合某泵站项目，基于CAD/CAE一体化技术进行了流固耦合分析实践，见图2。
3 模型建立
3.1 几何模型建立
本文将机械制造领域的叶片设计软件Bladegen加入到建模过程中[12]，使得叶片设计参数化，水力条件较好，且无须建立三维点坐标，无须进行样条曲线放样、修正等，也无须进行大量的数据计算、处理，从而提高效率。在CATIA中，先对水泵装置进行装配，通过添加约束，使各部件在装配关系上完美贴合，如图3所示。本文钢制流道泵站结构采用S形流道。基于CATIA强大的曲面设计以及装配能力最大化，精细地仿真了泵站流道，其材料参数见表1，最终装配图如图4所示。
3.2 有限元模型建立
传统流固耦合分析前处理方法需在建模软件中建立水体-结构的耦合模型，而借助航空航天行业的专业前处理软件ICEM CFD，无须建立水体模型，通过提取中面后即可建立体网格生成水体，大大缩短了相关研究中复杂的建模时间，且解决了传统流固耦合分析计算中水体建立困难以及水体与复杂流道之间难以完美匹配的问题，使得短时间修改模型成为可能。水体网格采用八叉树算法，基于拓扑结构生成全四面体网格，精细加密叶片旋转区域的网格，并分5层加密了边界层网格，在软件中实现跨尺度网格划分。拓扑结构、网格如图5、图6所示。装配后的模型网格共有270 606个节点、1 559 101个单元，自由度为百万级，满足流体对网格高精度的需要，仿真更为精细化，生成速度约为每秒1 500个单元，具有较高的网格划分效率。
4 流固耦合分析计算
通过对新型钢制流道（管壁厚度为1.2 cm）泵站进行流道内流场模拟和流固耦合分析，研究流道水力特性、振动响应以及疲劳破坏情况，从而实现对泵站钢制流道的安全性评价。
流道纵断面静压、速度矢量如图7、图8所示，流速空间矢量如图9所示。
分析可知，进、出管段静压分布较均匀，符合项目资料（入口、出口淹没水头分别为4.75、3.68 m）;在弯肘管处，静压减小，动压增大;在转轮处静压继续减小，动压继续增大;固定导叶附近水流受动静干涉的影响，流态复杂，出现了较小的局部压力集中区。因此，从水力学特性的角度分析，钢制流道的设计较为合理。然而对于导叶处、出口管段底部出现的旋涡，需要做好局部空化、空蚀保护措施。另外，通过调整导叶数量、形态，优化弯肘管设计等措施取得最优的流态分布值得进一步研究。
管壁总变形图、等效应力图如图10、图11所示。分析可知，进水管顶部的中心出现了应力集中现象，中心的等效应力约为130 MPa，而最大等效应力为183 MPa，出现在进口管顶部的端部，均满足强度要求，而最大总变形值出现在进水管顶部中心，约为6.97 mm，刚度略显不足，可加设环向肋板。特别地，对于进水管顶部的中心和端部位置、出水管段顶部中心出现的应力集中现象，最大应力远小于钢材屈服强度，钢制流道设计较为合理，但仍需注意水力激励引起的疲劳破坏问题。
因疲劳分析中，S—N曲线（应力幅与循环次数关系曲线）与材料表面状态、几何形状、焊接形式等因素有关，故需要经过严格试验得到较准确的结果。本文通过ANSYS Workbench下的Fatigue Tool，基于表2所列材料交变应力与循环次数关系进行简单的流道疲劳分析（此类为高周疲劳问题），施加脉动循环作用力，疲劳强度因子取0.8，疲劳分析安全系数最大为15，最大安全寿命设定为循环1×106次。疲劳分析安全系数分布云图如图12所示。对于图12中显示的疲劳安全系数较低的区域，如进口段顶部、弯肘管拐弯处、出口扩散段，建议提升加工质量以改善表面状态、减小内部缺陷，设计时可采用降载设计、大圆角设计等措施改善应力集中现象，以提升抗疲劳性能。
5 设计优化实践
本文基于CATIA与ANSYS Workbench之间的CAPRI接口，实现CAD/CAE一体化，对流道振动响应进行简单优化分析。不考虑多目标优化问题，仅通过在CATIA中预先设定流道管壁厚度为携带参数，调整该参数，快速得到n组管厚方案，实现管厚方案比选的快速设计-分析-优化过程，且操作十分简单，这是传统CAD、CAE相互独立运行难以实现的。
例如：管壁厚度调整为3 cm时，管壁总变形如图13所示，管厚与最大振动响应关系如图14所示。可见，随着管厚的增大，最大总变形值、最大等效应力值明显减小，然而考虑成本、工艺等因素，需要进行多目标的优化设计。 6 结 论
（1）本文通过引入CAD/CAE一体化技术，为水利水电工程中特定的复杂数值仿真问题精准建模、快速优化分析提供了一种高效、可行的方法。
（2）基于参数化建模技术、跨尺度网格划分技术，建立了计算自由度达百万级的高精度计算模型，为水利工程中的精准仿真分析提供一种新的设计思路和分析方法。
（3）疲劳分析未充分考虑钢材的表面状态、几何形状、焊接形式等因素，需要通过试验研究进一步获得更准确的疲劳分析结果。此外，针对相关优化问题，为了获得最终优化结果，建议进一步进行多参数、多目标优化研究。
参考文献：
[1] MOHANTA Rati Kanta， CHELLIAH Thanga Raj， ALLAMSETTY Srikanth， et al. Sources of Vibration and Their Treatment in Hydro Power Stations：a Review[J]. Engineering Science and Technology，2017，20（2）：637-648.
[2] ZHAO Xinran， VACCA Andrea. Analysis of Continuous-Contact Helical Gear Pumps Through Numerical Modeling and Experimental Validation[J]. Mechanical Systems and Signal Processing， 2018， 109： 352-378.
[3] ZUO Zhigang， LIU Shuhong. Flow-Induced Instabilities in Pump-Turbines in China[J]. Engineering，2017，3（4）： 504-511.
[4] ZHU Baoshan， WANG Xuhe， TAN Lei， et al. Optimization Design of a Reversible Pump-Turbine Runner with High Efficiency and Stability[J]. Renewable Energy，2015，81：366-376.
[5] 張社荣，顾岩，张宗亮.水利水电行业中应用三维设计的探讨[J].水力发电学报，2008（3）：65-69.
[6] 戚蓝，陈辉，费文才，等.基于精确河道地形的溢流坝泄流三维数值模拟[J].水力发电学报，2016，35（10）：12-20.
[7] WU Yuanhang， ZHOU Yuansheng， ZHOU Zhenyu， et al. An Advanced CAD/CAE Integration Method for the Generative Design of Face Gears[J]. Advances in Engineering Software，2018，126：90-99.
[8] LI Jun， YANG Wei， ZHANG Yugang， et al. Aircraft Vulnerability Modelling and Computational Methods Based on Product Structure and CATIA[J]. Chinese Journal of Aeronautics， 2013， 26（2）： 334-342.
[9] 任浩楠，王晓东.基于CATIA和ANSYS Workbench的水工结构CAD/CAE一体化系统[J].水利规划与设计，2018（2）：92-94.
[10] 罗欣，郑源，冯俊.轴流泵内部流场的数值模拟[J].水电能源科学，2012，30（12）：120-122.
[11] MOMPEAN G. Numerical Simulation of a Turbulent Flow Near a Right-Angled Corner Using the Special Non-Linear Model with RNG κ-ε Equations[J]. Computers and Fluids，1998，27（7）：847-859.
[12] 董敏，郭信心，马昌飞，等.应用Bladegen的离心叶轮三维建模新方法[J].机械设计与制造，2018（2）：228-230.
【责任编辑 张华岩】
关键词：钢制流道;轴流泵站;流固耦合;CAD/CAE一体化;精准建模;结构优化
中图分类号：TV675;TV332.4 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.022
引用格式：谢伟，陈坚.基于CAD/CAE的泵站装置流固耦合數值仿真[J].人民黄河，2021，43（10）：114-118.
Abstract： The novel axial-flow pumping station scheme with steel-made runner comparatively has shown many edges such as its convenient construction， crack-proof performance， and long service life. However， the vibration of the structure caused by hydraulic excitation is of great concern and worthy of investigation. In solving this kind of problem， numerical simulation through fluid-structure interaction analysis is a trendy research topic. However， the CAD and CAE technologies are usually applied independently， making the process inefficient， long-term and high-cost. With a CAD/CAE integration system applied in this paper， a precise simulation model was established and applied for the preliminary practice of structural optimization through the CAD/CAE interactive interface. The results turn out that the precise modeling and rapid optimization design of specific problems in hydraulic and hydroelectric engineering projects are realized and the efficiency of the iterative design-analysis-optimization process is greatly improved， which helps provide a feasible and efficient analysis method for the optimization design for hydraulic and hydroelectric engineering projects.
Key words： steel-made flow passage; axial-flow pumping station; fluid-structure interaction; CAD/CAE integration; precise modeling; structural optimization
为了保证流道水面线形流畅且尽可能减小过水阻力，常规轴流泵站采用混凝土流道，但混凝土流道施工要求尤为严格，施工难度大，且渐变的异型钢筋绑扎与安装困难，因此使用钢制流道的轴流泵站方案被采用。钢制流道方案具有施工简便、不易产生裂缝、泵站装置安装方便等优点，但复杂的水力条件引起钢制薄壁结构的流激振动及疲劳破坏[1]等问题亟待解决。涉及学科交叉的流固耦合研究已逐渐成为解决这一问题的热点。
随着CFD流体动力学研究的不断完善，对泵站内部流场的仿真模拟及流固耦合研究的要求和需求越来越高[2-4]。然而流固耦合分析过程烦琐、难度大，且CAD、CAE系统间数据的单向传递性使得流固耦合研究难以实现精准数值仿真及设计—分析—优化的全过程闭合循环。近年来，实现CAD、CAE平台之间数据双向传递、无缝连接的CAD/CAE一体化技术已逐渐成为工程界的一个热点研究方向[5-8]。
本文结合某钢制流道轴流泵站项目，基于以CATIA为主的CAD软件与结构分析软件ANSYS的交互式接口CAPRI[9]，以ANSYS Workbench为主要CAE平台，引入CAD/CAE一体化技术，进行精准建模和流固耦合分析，并通过参数变动快速实现计算模型的改进，进行结构优化初步实践，为水利水电领域中某些复杂有限元优化分析提供一种可行、便捷的研究方法。
1 流固耦合理论
流固耦合的本质是研究固体变形对流场影响以及流体对可变形固体影响，其建立在计算流体力学、固体力学的理论基础上。控制方程为 流体运动需要遵循水力学客观规律，即质量、动量、能量三大守恒定律，而相應的控制方程是其在数学上的体现。
本文泵站项目中流体的流动满足上述基本守恒规律，流体瞬时运动可用Navier-Stokes[10]方程（直角坐标系中采用张量形式）加以描述：
2 CAD/CAE一体化方法
CAD/CAE一体化技术以CATIA为主要CAD平台、以ANSYS Workbench为主要CAE平台，本文结合两者之间的交互式接口CAPRI技术进行流固耦合分析，并通过参数变动快速实现计算模型的改进，进行结构优化初步实践。特别地，通过使用ANSYS Workbench中关键的参数管理器（Parameter Manager）增强设计迭代，以及应用智能更新设计方案的功能，在调整参数后可选定更新零件而不是整个装配体，即进行局部更新，有利于充分发挥CATIA的装配优点，大大提高分析效率。
分析流程：在CAD平台CATIA中进行参数化建模并设置参数，通过无缝连接的CAPRI接口，将携带参数P的精准模型导入ANSYS Workbench（WB）中用于有限元分析，若设计结果较为满意则结束，否则基于Parameter Manager（PM），通过调整获得新的参数P，采用CAPRI接口无缝、智能更新模型，如此循环（见图1）。本文结合某泵站项目，基于CAD/CAE一体化技术进行了流固耦合分析实践，见图2。
3 模型建立
3.1 几何模型建立
本文将机械制造领域的叶片设计软件Bladegen加入到建模过程中[12]，使得叶片设计参数化，水力条件较好，且无须建立三维点坐标，无须进行样条曲线放样、修正等，也无须进行大量的数据计算、处理，从而提高效率。在CATIA中，先对水泵装置进行装配，通过添加约束，使各部件在装配关系上完美贴合，如图3所示。本文钢制流道泵站结构采用S形流道。基于CATIA强大的曲面设计以及装配能力最大化，精细地仿真了泵站流道，其材料参数见表1，最终装配图如图4所示。
3.2 有限元模型建立
传统流固耦合分析前处理方法需在建模软件中建立水体-结构的耦合模型，而借助航空航天行业的专业前处理软件ICEM CFD，无须建立水体模型，通过提取中面后即可建立体网格生成水体，大大缩短了相关研究中复杂的建模时间，且解决了传统流固耦合分析计算中水体建立困难以及水体与复杂流道之间难以完美匹配的问题，使得短时间修改模型成为可能。水体网格采用八叉树算法，基于拓扑结构生成全四面体网格，精细加密叶片旋转区域的网格，并分5层加密了边界层网格，在软件中实现跨尺度网格划分。拓扑结构、网格如图5、图6所示。装配后的模型网格共有270 606个节点、1 559 101个单元，自由度为百万级，满足流体对网格高精度的需要，仿真更为精细化，生成速度约为每秒1 500个单元，具有较高的网格划分效率。
4 流固耦合分析计算
通过对新型钢制流道（管壁厚度为1.2 cm）泵站进行流道内流场模拟和流固耦合分析，研究流道水力特性、振动响应以及疲劳破坏情况，从而实现对泵站钢制流道的安全性评价。
流道纵断面静压、速度矢量如图7、图8所示，流速空间矢量如图9所示。
分析可知，进、出管段静压分布较均匀，符合项目资料（入口、出口淹没水头分别为4.75、3.68 m）;在弯肘管处，静压减小，动压增大;在转轮处静压继续减小，动压继续增大;固定导叶附近水流受动静干涉的影响，流态复杂，出现了较小的局部压力集中区。因此，从水力学特性的角度分析，钢制流道的设计较为合理。然而对于导叶处、出口管段底部出现的旋涡，需要做好局部空化、空蚀保护措施。另外，通过调整导叶数量、形态，优化弯肘管设计等措施取得最优的流态分布值得进一步研究。
管壁总变形图、等效应力图如图10、图11所示。分析可知，进水管顶部的中心出现了应力集中现象，中心的等效应力约为130 MPa，而最大等效应力为183 MPa，出现在进口管顶部的端部，均满足强度要求，而最大总变形值出现在进水管顶部中心，约为6.97 mm，刚度略显不足，可加设环向肋板。特别地，对于进水管顶部的中心和端部位置、出水管段顶部中心出现的应力集中现象，最大应力远小于钢材屈服强度，钢制流道设计较为合理，但仍需注意水力激励引起的疲劳破坏问题。
因疲劳分析中，S—N曲线（应力幅与循环次数关系曲线）与材料表面状态、几何形状、焊接形式等因素有关，故需要经过严格试验得到较准确的结果。本文通过ANSYS Workbench下的Fatigue Tool，基于表2所列材料交变应力与循环次数关系进行简单的流道疲劳分析（此类为高周疲劳问题），施加脉动循环作用力，疲劳强度因子取0.8，疲劳分析安全系数最大为15，最大安全寿命设定为循环1×106次。疲劳分析安全系数分布云图如图12所示。对于图12中显示的疲劳安全系数较低的区域，如进口段顶部、弯肘管拐弯处、出口扩散段，建议提升加工质量以改善表面状态、减小内部缺陷，设计时可采用降载设计、大圆角设计等措施改善应力集中现象，以提升抗疲劳性能。
5 设计优化实践
本文基于CATIA与ANSYS Workbench之间的CAPRI接口，实现CAD/CAE一体化，对流道振动响应进行简单优化分析。不考虑多目标优化问题，仅通过在CATIA中预先设定流道管壁厚度为携带参数，调整该参数，快速得到n组管厚方案，实现管厚方案比选的快速设计-分析-优化过程，且操作十分简单，这是传统CAD、CAE相互独立运行难以实现的。
例如：管壁厚度调整为3 cm时，管壁总变形如图13所示，管厚与最大振动响应关系如图14所示。可见，随着管厚的增大，最大总变形值、最大等效应力值明显减小，然而考虑成本、工艺等因素，需要进行多目标的优化设计。 6 结 论
（1）本文通过引入CAD/CAE一体化技术，为水利水电工程中特定的复杂数值仿真问题精准建模、快速优化分析提供了一种高效、可行的方法。
（2）基于参数化建模技术、跨尺度网格划分技术，建立了计算自由度达百万级的高精度计算模型，为水利工程中的精准仿真分析提供一种新的设计思路和分析方法。
（3）疲劳分析未充分考虑钢材的表面状态、几何形状、焊接形式等因素，需要通过试验研究进一步获得更准确的疲劳分析结果。此外，针对相关优化问题，为了获得最终优化结果，建议进一步进行多参数、多目标优化研究。
参考文献：
[1] MOHANTA Rati Kanta， CHELLIAH Thanga Raj， ALLAMSETTY Srikanth， et al. Sources of Vibration and Their Treatment in Hydro Power Stations：a Review[J]. Engineering Science and Technology，2017，20（2）：637-648.
[2] ZHAO Xinran， VACCA Andrea. Analysis of Continuous-Contact Helical Gear Pumps Through Numerical Modeling and Experimental Validation[J]. Mechanical Systems and Signal Processing， 2018， 109： 352-378.
[3] ZUO Zhigang， LIU Shuhong. Flow-Induced Instabilities in Pump-Turbines in China[J]. Engineering，2017，3（4）： 504-511.
[4] ZHU Baoshan， WANG Xuhe， TAN Lei， et al. Optimization Design of a Reversible Pump-Turbine Runner with High Efficiency and Stability[J]. Renewable Energy，2015，81：366-376.
[5] 張社荣，顾岩，张宗亮.水利水电行业中应用三维设计的探讨[J].水力发电学报，2008（3）：65-69.
[6] 戚蓝，陈辉，费文才，等.基于精确河道地形的溢流坝泄流三维数值模拟[J].水力发电学报，2016，35（10）：12-20.
[7] WU Yuanhang， ZHOU Yuansheng， ZHOU Zhenyu， et al. An Advanced CAD/CAE Integration Method for the Generative Design of Face Gears[J]. Advances in Engineering Software，2018，126：90-99.
[8] LI Jun， YANG Wei， ZHANG Yugang， et al. Aircraft Vulnerability Modelling and Computational Methods Based on Product Structure and CATIA[J]. Chinese Journal of Aeronautics， 2013， 26（2）： 334-342.
[9] 任浩楠，王晓东.基于CATIA和ANSYS Workbench的水工结构CAD/CAE一体化系统[J].水利规划与设计，2018（2）：92-94.
[10] 罗欣，郑源，冯俊.轴流泵内部流场的数值模拟[J].水电能源科学，2012，30（12）：120-122.
[11] MOMPEAN G. Numerical Simulation of a Turbulent Flow Near a Right-Angled Corner Using the Special Non-Linear Model with RNG κ-ε Equations[J]. Computers and Fluids，1998，27（7）：847-859.
[12] 董敏，郭信心，马昌飞，等.应用Bladegen的离心叶轮三维建模新方法[J].机械设计与制造，2018（2）：228-230.
【责任编辑 张华岩】