NFX 水利工程领域解决方案 MIDAS IT

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一、 midas NFX 简介及有限元分析现状

软件名称 优点 缺点

ABAQUS 非线性分析能力强、支持二次开发 自带网格生成器难用、学习成本高

ANSYS 命令流建模简单 入门困难

ADINA 动力学分析结果好 界面复杂

Hyper mesh 网格生成质量高 不注重仿真分析，常用于网格处理

midas NFX 中文化界面、操作简单 需要人为划分网格

midas Meshfree 无网格技术、上手快速 目前不支持尖端分析

相较于 ABAQUS 等软件，midas NFX 是全中文界面，入门简单、操作便捷，建模过程

中网格生成简单，支持多种网格单元，极大程度上方便了工程师的学习和使用。

1、midas NFX 介绍

北京迈达斯技术有限公司（MIDAS IT）成立于 2002 年 11 月，主要从事建筑结构，桥

梁，岩土、仿真等工程领域的分析与设计软件的开发、销售、培训和咨询业务。目前在全国

设有 10 个分公司，共 200 多名 MIDAS 人正陪伴着 3000 多家用户和 10000 多名工程师，

共同用技术创造着社会幸福。

midas NFX 是 MIDAS IT 公司自主研发的全中文、多物理场优化设计软件，软件基于传统

FEM 原理开发。midas NFX 拥有人性化的图形界面，NFX 集结构、热、流体分析于一体 ，可

进行建模、网格划分、有限元边界施加、求解以及后处理等的全过程仿真，因此是一个高度

集成化的分析平台。midas NFX 可提供高端结构分析（NFX STR）和流体分析（NFX CFD），

以实现各种复杂的分析验证任务。通过 midasNFX，用户能够在一个界面下完成所有的操作。

2、市面上通用有限元仿真软件现状

经过多年的发展，目前市面上存在多种商用有限元分析软件。其中知名度比较高的大型

分析软件有 ABAQUS、ANSYS 等，但目前来说，这些软件都存在汉化不彻底，入门困难等问

题。因此对于缺乏有限元分析基础的工程师来说，在学习过程中可能会感到非常吃力，由此

也会对于软件的学习产生懈怠感。

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3、水工金属结构有限元计算难点

（2）模型的精细程度，须视计算需求而定；

（3）节点的处理，特殊约束施加。

4、水利工程为什么要做流体分析

水渠引水灌溉 泵站

城市给排水 水坝工程

随着国家对于基建的大力投入，在水利工程中项目中不断出现一些新的问题。如城市给

排水规划以避免内涝、水坝工程的修建、如何经济化的规划水渠的引水灌溉等问题，这对于

设计师在方案规划时提出了更高的要求。在规划方案时，大多是基于安全和经济来考虑的，

要保证工程质量的同时尽可能的做到经济省钱，因此提前做好工程的 CFD 模拟显得尤关重要。

（1）手动建模，原因:薄壁、杆件结构较多，无法便捷利用三维模型；

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二、 midas NFX 功能模块介绍

模块 功能 案例

线性静力分析

（线性接触）

支持计算结构的线弹性强度、刚度分析； 支持预应力的线性静

力分析；支持重力、力、力矩、压力、位移、扭矩、离心力、远

程载荷、轴承载荷、螺栓载荷、管单元载荷、梁单元载荷、节点

温度、梁单元温度、壳单元温度、初始力 / 应力、预张力、从

结果输入载荷、载荷组合等多种载荷类型

模态与屈曲分析

（线性接触，预应

力）

模态分析：

计算结构动力学特性：固有频率、振型、模态有效质量、振型参

与系数；支持预应力的模态分析

线性屈曲分析：

计算结构的稳定性；支持复合材料的屈曲分析

传热，热应力分析

（稳态、瞬态，线

性、非线性）

线性稳态热传递 / 线性稳态热应力分析：

热源、热传导、热对流、热辐射、热流率、初始温度、固定温度

条件；单一工况传热及应力连续分析；模拟不连续零件之间热传

导的热接触功能；考虑腔体辐射的热传递分析功能 ( 开 / 关条

件，辐射形状因子计算 )

非线性稳态热传递 / 非线性稳态热应力分析：

温度依存材料特性 / 温度依存边界条件

线性 / 非线性瞬态热传递，线性 / 非线性瞬态热应力分析：

使用传感器的有效瞬态热传递分析；单一工况传热及应力连续

分析

疲劳分析

（S-N, e-N）

支持基于线性静力、非线性静力、热应力、瞬态响应（显式、隐

式）、随机振动的疲劳分析；支持应力疲劳和应变疲劳；结果输

出损伤度和疲劳寿命；雨流计数法；平均应力修正 (Goodman、

Gerber、soderberg、Morrow、SWT)；E-N 曲线、S-N 曲线；疲

劳荷载曲线；拓扑优化中可考虑疲劳约束条件

非线性静力、准静

态分析

（材料，几何，接

触）

- 材料非线性分析 ( 弹塑性、超弹性、非线性弹性 )

- 几何非线性分析 ( 大位移、大旋转、大应变 )

- 接触非线性分析 ( 一般接触、自接触，支持过盈装配分析 )

- 自动载荷增量

- 使用函数的准静态载荷增量

- 连续 / 独立的载荷条件组合

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优化设计

（拓扑，尺寸优化）

拓扑优化：考虑产品制造条件的分析功能；设计中的约束条件

( 应力、位移、特征值、对称条件等 )；定义设计区域和非设计

区域；查看拓扑优化结构，导出拓扑优化模型；提供基于线性静

力的拓扑优化 ( 最小柔顺度和最小体积 )、基于模态分析的拓

扑优化；( 最大特征值和最小体积 )、基于频响响应分析的拓扑

优化分析 ( 最小柔顺度和最小体积 )；

尺寸优化：基于 1D 和 2D 单元的尺寸优化；提供位移、应力、

体积、特征值等约束条件；试验方法：拉丁超立方设计法、正交

阵列、完全因子设计、中心复合材料设计；各变量之间的相关性

分析；近似模型：多项式回归模型、Kriging 模型。

非线性动力分析

（显式与隐式积分

法）

非线性隐式瞬态：支持各种非线性：材料、几何、接触非线性；

查看收敛结果和分析迭代步的结果；使用子工况的重启功能和

使用多核的并行进程功能；

非线性显式动力分析：支持各种非线性：材料、几何、接触非线

性；支持质量缩放；通过单元自动计算临界时间步；查看收敛结

果和分析迭代步的结果；使用子工况的重启功能和使用多核的

并行进程功能。

线性动力分析

（瞬态、频率、反应

谱、随机振动）

瞬态响应分析；频率响应分析；随机响应分析；反应谱分析（支

持中国及其他国家和地区设计谱数据）；支持直接积分法和模态

叠加法，后者可以直接导入模态分析结果；考虑多载荷条件下分

析功能；考虑预应力分析功能；多种阻尼效果 ( 模态、结构、

材料、瑞利、频率依存）

多体动力学

（线性、非线性分

析，模态分析）

支持刚体和柔体结合的多体系统同步分析；运动副：固定副、转

动副、平动副、槽副、圆柱副、万向节、球副、平面副、一般副；

可以考虑几何非线性、材料非线性和接触非线性

流体分析

（一般问题，热问

题，流固耦合）

流体流动：N-S 方程 + 湍流模型求解器；14 种湍流模型；求解

定常和非定常流体问题；完全压缩流、不可压缩流和多孔介质

流；可定义时空相关的复杂边界条件；支持非牛顿流体；

多相流：可以利用水平集和 VOF 方法进行多相流分析；确定自

由水面高度，以及不同相界面；可考虑颗粒与流体之间的相互耦

合作用，包括单向耦合以及双向耦合；

传热：处理流体流动过程中的流体传热问题；考虑流体传热过程

中的压力和粘性功；流体和固体的热传导中的复杂强迫对流、自

然对流和混合对流以及辐射；支持太阳辐射；

动网格：解决涉及几何边界变化的流体模拟；支持移动参考系、

滑移网格、网格变形、重叠网格等多种动网格分析方法；

组分传输：求解气体和液体中组分的扩散问题；

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三、 midas NFX 在水工金属结构专业中的应用

1、非标设计结构优化

非标设计结构优化首先是提出一个大概的设计思路，在此基础上利用有限元仿真验证该设计思路，

根据仿真结果来修改设计思路，进而修改模型参数重新计算，如此不断往复形成一个闭环，通过不断的

优化计算最后得到最终的设计方案。

以上述钢盖板设计为例，通过不断地优化设计，对局部尺寸进行调整，最终设计方案在忽略极小区

域应力集中对结构的影响时，整体满足 ZG230-450 铸钢强度要求（容许应力 180MPa）；结构最大变形小

于 2mm，满足要求。

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2、标准设计方案验算

案例一 移动料斗

40m³移动料斗 有限元模型

水箱附近横梁增加横隔板 最终结果对比

案例二 船闸上闸首人字门

位移-最大水头差工况 等效应力-最大水头差工况

底主梁止水线外侧水压较大 背拉杆应力传导

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案例三 三角钢闸门

34m 口门船闸，最大水头 3.6m 面单元尺寸 70mm，梁单元尺寸 400mm

特殊处理：线-点-面 特殊处理：线-刚体单元-面

案例四 更多的设计案例

平行弦式钢引桥

拱形人行桥

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四、 midas NFX 流体分析应用案例

1、永宏泵站流体分析（BIM+CFD）

永宏泵站采用块基型整体结构，主要功能是汛期将石固河涝水通过机排入石臼湖，灌溉

期引石臼湖水入石固河，排涝、灌溉设计流量均为 23.2m3/s,单机设计流量为 5.8m3/s，设计

净扬程 2.44m；泵站选用 4 台 1500ZLK-100 型轴流泵，开敞式进出水，双向流道。

排涝工况时（正向运行）压力水箱为泵站的出水池，引水工况时（反向运行）压力水箱

为泵站进水前池，为了确保泵站在排涝及引水工况时的流态稳定，泵站安全高效运行，对泵

站前池进行 CFD 复核计算。

方案一

（原始方案）

原始方案，水流顺畅、流速均匀、池内主流方向上不产生涡流

及其它不良流态，4 台机组的进口断面流速分布均匀度为

78%~80%，竖向速度加权平均角度及横向速度加权平均角度均为

90°左右。

方案二

（改变前池扩散角）

方案二将压力箱涵的扩散角度由 23°减小为 15°，池内主流

侧向产生较大涡流挤压主流，流态较差，4 台机组的进口断面流速

分布均匀度为 75%~81%，竖向速度加权平均角度及横向速度加权

平均角度均为 90°左右。

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方案三

（改变导水墩角度）

方案三将压力箱涵的导流墩角度由 12°减小为 10°，水流顺

畅、流速均匀、池内主流方向上不产生涡流及其它不良流态，4 台

机组的进口断面流速分布均匀度为 77%~80%，竖向速度加权平均

角度及横向速度加权平均角度均为 90°左右。

根据计算成果，方案一~三速度加权平均角度指标相差不大，

方案二池内流态较差， 1#、4#机组进水断面流速均匀度偏小，方

案一进口断面流速分布均匀度整体优于方案二、三，方案一选择的

前池扩散角、导流墩角度相对合适。

方案四

（角度不变、导水墩减短）

方案四将导流墩顺水流向尺寸由 8390mm 减小为 6390mm，

计算结果显示池内水流顺畅、流速均匀、池内主流方向上不产生涡

流及其它不良流态，4 台机组的进口断面流速分布均匀度为

79%~82%，竖向速度加权平均角度及横向速度加权平均角度均为

90°左右。

方案五

（角度不变、导水墩加长）

方案五将导流墩顺水流向尺寸由 8390mm 增加为 10390mm，

计算结果显示池内水流顺畅、流速均匀、池内主流方向上不产生涡

流及其它不良流态，4 台机组的进口断面流速分布均匀度均为

78%，竖向速度加权平均角度及横向速度加权平均角度均为 90°

左右。

永宏泵站引水工况下，对前池扩散角、导流墩角度、长度变化组成五组方案进行数值模

拟计算显示，五组方案水流进口速度加权平均角度均为 90°左右，水流入泵角度理想。

方案二池内流态相对较差，其余方案流态均良好。各方案水泵进口流速分布均匀度在80%

左右，方案四的进口流速分布均匀度最优，故推荐选用方案四。

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2、和平北泵站三维渗流计算（BIM+GTS NX+NFX CFD）

三维渗流流线图 三维渗流模型 渗流自由面（浸润线）

三维 CFD 计算

3、小型灌排结合闸站 CFD（两相流）

自由液面 网格模型 流线图

4、西安路闸三维 CFD 计算（两相流）

工况 1：气盾坝蓄水溢流工况 西安路闸三维模型 工况 2：气盾坝翻倒工况

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五、 midas NFX 更多应用案例

1、基于 BIM 的榫卯结构小型装配式水工建筑物应用研究

站身部分共有 5 块构件组成，4 个接触对，采用双向滑动接触，底部采用铰接制作，三

面采用三角线性荷载，计算完建期站身构件位移及第一主应力，最大位移位于站身中部、约

0.12mm，最大第一主应力位于站身中部，其中拉应力为 1.97MPa，最大压应力为 0.38MPa。

出水池部分共有 5 块构件组成，2 个接触对，采用双向滑动接触，底部采用铰接制

作，三面采用三角线性荷载，计算完建期站身构件位移及第一主应力，最大位移位于站身中

部、约 0.04mm，最大第一主应力位于站身中部，其中拉应力为 0.53MPa，最大压应力为

0.10MPa。

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U 型槽部分共有 5 块构件组成，2 个接触对，采用双向滑动接触，底部采用铰接制作，三

面采用三角线性荷载，计算完建期站身构件位移及第一主应力，最大位移位于站身中部、约

0.8mm，最大第一主应力位于 U 型槽底部，其中拉应力为 3.70MPa，最大压应力为 0.48MPa。

由于模型中添加了三根加劲梁，为了验

证加劲梁的存在是否会对流场产生影响，因

此针对两组模型进行了 CFD 流场分析。结果

表明，加劲梁的存在对流场的分布几乎无影

响。

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2、拓扑优化技术在工程设计中的应用

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3、船桥碰撞分析

随着交通运输业的快速发展，我国近期修建的跨越通航江河、港区和海峡的大型桥梁数

量逐步增多，而航道上船舶数量也不断增加且船型趋于大型化，使得桥梁和通行船舶之间的

矛盾日趋突出，因此船舶撞击桥墩的事故亦不断增加。

美国阿肯色河船桥碰撞事故 广东九江大桥撞击垮塌 货船撞上金塘大桥非通航孔

有限元模型图 约束形式

船头受力 桥墩受力