【摘 要】在我國經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，機械產(chǎn)業(yè)的快速崛起對于我國的發(fā)展起到了關(guān)鍵性的作用。不光是機械生產(chǎn)領(lǐng)域，在其他很多領(lǐng)域?qū)τ跈C械生產(chǎn)上的要求也是越來越多。比如水利建設(shè)中使用水閘可視化設(shè)計的操作系統(tǒng)來輔助水利工程進行管理。在此之中關(guān)于ANSYS的有限元使用的作用就顯現(xiàn)出來了。在一些水閘的管理中，有限元方法有著獨特的工作優(yōu)勢，這一產(chǎn)品在未來的前景也是十分廣泛。在本文中我們就對基于ANSYS的有限元方法在水閘可視化設(shè)計系統(tǒng)的概念進行分析和介紹。
【關(guān)鍵詞】ANSYS；水閘可視化；有限元
現(xiàn)今，社會科技的發(fā)展離不了機械技術(shù)的強有力的支持，如何又快又好的使用機械設(shè)備，使得這些大型的機械設(shè)備能發(fā)揮出最大的功效，是作為一名技術(shù)人員一直追求要完成的任務(wù)。我們發(fā)現(xiàn)，在創(chuàng)造了水閘可視化技術(shù)后，很多機械中的人力無法完成的任務(wù)，通過這一新興技術(shù)就可以很好的解決。下面我們就基于ANSYS的有限元的水閘可視化系統(tǒng)進行分析、討論。
1 基于ANSYS的水閘可視化系統(tǒng)作用
有限元方法在機械使用中大多作為一種檢測工作，在機械出現(xiàn)小故障時，該技術(shù)使用的較為普遍，它可以將機械系統(tǒng)中的小構(gòu)件聯(lián)接在一起，實現(xiàn)了機械體系的完整性。增強了機械整體的剛度，控制了構(gòu)件于構(gòu)件之間的緊密性，使得機械在使用中的效率更高。在這里我們所說的有限元方法是采用可視化的方式進行工作的，它是結(jié)合了視覺觀察的思想概念，結(jié)合了可視化裝置和輔助指導(dǎo)裝置進行的水閘的控制工作。這里談到了可視化裝置是由四個顯示屏分為兩組，做交替的監(jiān)控循環(huán)，這些元件在監(jiān)控的操作下，不斷的完成動力控制的功能，最終促使輔助指導(dǎo)裝置運行。
用ANSYS進行閘室結(jié)構(gòu)分析需要創(chuàng)建有限元模型（創(chuàng)建幾何模型，劃分網(wǎng)格）、施加荷載并求解、查看結(jié)果建三個步驟進行。采用ANSYS中的求解器和細部分解后處理器。通過表示模型顯示閘室結(jié)構(gòu)，分析幾何模型，同時將資料以*.db文件的形式保存在ANSYS核心數(shù)據(jù)庫中，并通過閘室結(jié)構(gòu)分析表示模型顯示其應(yīng)力及變形情況，這些可在ANSYS的后處理部分實現(xiàn)。ANSYS和材料力學方法盡管在上下游側(cè)計算結(jié)果有所不同：上游側(cè)材料力學方法比ANSYS計算的應(yīng)力值大，而在下游側(cè)材料力學方法比ANSYS計算的應(yīng)力值小，但相差不大，最大誤差百分比為5%，在誤差的范圍內(nèi)不會出現(xiàn)很大幅度的波動。在設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)使用的過程中，上下游閘門出的材料結(jié)構(gòu)的力學模型構(gòu)建出的力矩值都會比使用ANSYS計算的應(yīng)力值大， 最大誤差百分比13%，而在閘門中部會出現(xiàn)一定的波動現(xiàn)象，但是出現(xiàn)的波動不會太大，我們常�？梢院雎圆挥�。通過這樣大量的數(shù)學計算可以看出，對于閘墩底部應(yīng)力，將閘墩從閘室分離出來，按照平面的材料力學方法進行計算，引起的誤差不大，使用可視化設(shè)計的水閘系統(tǒng)的可靠性非常的高。
2 水閘可視化基于ANSYS的有限元方法分析
以目前國內(nèi)的水利機械使用情況來看，對于有限元方法的使用存在著很大的漏洞，最主要的原因就是可視化模型在使用中出現(xiàn)損壞的情況較為嚴重。經(jīng)過技術(shù)分析，得出造成損壞的最主要的原因還是模型在受力上的影響。過去設(shè)計可視化都是處于經(jīng)驗方面的總結(jié)，很難在細節(jié)上有很大的創(chuàng)新，往往在一些重點的可控部位沒有設(shè)置合理的材料進行監(jiān)控和管理。當引進了基于ANSYS的有限元方法后，我們可以通過計算機軟件改變設(shè)計中出現(xiàn)的缺陷。
2.1 使用ANSYS的有限元軟件分析閘門受力情況
在有限元方法的使用中，模型主要受到來自彎扭方面的應(yīng)力，而不是常常認為的軸向受力。通過有限元軟件可以計算出模型在受彎扭變形時的應(yīng)力變化，根據(jù)這些應(yīng)力變化數(shù)據(jù)我們可以在閘門設(shè)計出具體部位使用材料的指導(dǎo)書。適當?shù)募哟竽Ｐ偷捏w積，就可以很好的降低有限元方法的輸出扭轉(zhuǎn)率。通過改變有限元方法的結(jié)構(gòu)設(shè)置，可以起到很好的質(zhì)量比重，這些對于閘門系統(tǒng)的長期使用和增加使用壽命都有很大的幫助。
我們以某市的排澇閘門設(shè)計為例進行說明：
在根據(jù)當?shù)氐乃那闆r，結(jié)合地質(zhì)信息，考慮到閘門設(shè)計前的滲流情況，在可視化系統(tǒng)的完善中，取得地下水位-2.5m，將設(shè)計空洞變成四孔閘門，通過有限元軟件的計算，得到閘門受力部位的荷載圖。見表1。
表1 上部荷載列表
從外河側(cè)到內(nèi)河側(cè)，取0.2，0.4，0.6，0.8閘身長的截面，按彈性地基梁計算底板內(nèi)力。外河側(cè)彎矩取0.2截面彎矩值，內(nèi)河側(cè)彎矩取其余三個截面絕對值較大的彎矩值。對穩(wěn)定計算荷載加上荷載系數(shù)后，重新進行控制工況穩(wěn)定計算，這樣求得的地基反力用來計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，最后進行配筋計算。為安全起見，將完建工況也列入彈地基性梁的計算，求彎矩包絡(luò)。
表2 彎矩包絡(luò)
通過在包絡(luò)圖的指導(dǎo)下，建立有效的可視化系統(tǒng)，形成更好的工程實例方案。
2.2 詳解使用有限元分析下的閘門可視化系統(tǒng)
基于ANSYS的有限元的分析軟件，旨在將構(gòu)件劃分為多個單元，對于復(fù)雜的構(gòu)件變?yōu)槎鄠�不同單元，可以簡化計算過程，還能夠?qū)?gòu)件的使用性能更加的了解。將有限元方法的整體結(jié)構(gòu)細化為12個獨立的單元體，每個單元體處于不同的區(qū)域之內(nèi)，在受力的情況下，記錄下每個構(gòu)件的承載情況，建立起合適的數(shù)學模型。
3 水閘可視化系統(tǒng)的具體操作
利用ANSYS的有限元是基于構(gòu)造物的幾何形狀進行衍生出來的，它可以是采用自上部結(jié)構(gòu)而往下下（直接生成體或面）或自下部結(jié)構(gòu)而往上（依次生成點、線、面、體），然后再對該實體模型進行網(wǎng)格，這樣的好處是不怕破壞構(gòu)造物的整體框架，又可以在最簡短的時間內(nèi)建立水閘系統(tǒng)最本質(zhì)的三維圖形。
在實際的水閘設(shè)計案例中我們對水閘基礎(chǔ)做出相應(yīng)的介紹。其閘室的類型多為一孔一聯(lián)的模式，對于計算過程中，為了更加的簡單，不設(shè)置鋪蓋，在對于滲流的計算中采用插值法，可視化的計算略去了閘門頂部的重量，直接以閘門槽中減少的面積作為運算數(shù)據(jù)，沒有地震方面的荷載值，設(shè)計過程中模擬閘門運行的狀態(tài)，考慮到設(shè)計水位的變化，閘門同時受到上下游水位高低的影響，充分在有限元中考慮到水重、閘門重量、地基承載力以及地基反力。
利用模擬概念生成閘門效果法。在ANSYS中直接把模型中的可視化以創(chuàng)建多個控制點單元的形式表達出來，構(gòu)建最初的有限元模擬模型。在定義ANSYS模擬概念模型之前，必須確定每個閘門控制點的位置，這也就是定義的初始點概念，把每個點的特性分析清楚，包括控制點的形狀、大小、方位以及點與點之間連接的頻率。
4 結(jié)束語
在水閘可視化使用ANSYS還會存在一定的不足，比如圖形導(dǎo)入的時候，相應(yīng)的數(shù)值會出現(xiàn)亂碼的現(xiàn)象，或是導(dǎo)入的圖像邊緣有銳化的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)可以根據(jù)我們后期的要求進行修改。但是銳化的現(xiàn)象就很難做處理，不過這對設(shè)計沒有很大的要求。建模的整個過程是非常復(fù)雜的過程，要理清各個控制點的具體參數(shù)指標，整體的把握邊界條件，建立出的閘門模型有的時候還不能完全的代表系統(tǒng)本身的特性，我們就需要在多個方面進行改進。根據(jù)對閘門可視化工作狀態(tài)的了解，可以使上文提到的模擬概念生成的效率大大提高，對于設(shè)計上也減輕了工作量，確保了設(shè)計中水閘可視化在關(guān)鍵技術(shù)上的控制和相關(guān)的可靠性大大提高。
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