鋼岔管三維有限元應力計算影響因素敏感性分析

李 偉（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

鋼岔管三維有限元應力計算影響因素敏感性分析

李 偉
（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

鋼岔管受力分析的準確性，對其能否安全穩(wěn)定的運行，以及鋼管后廠房的安全性起到了至關(guān)重要的作用。在進行鋼岔管三維有限元分析之前，通過控制每個單一因素變化對岔管應力影響的程度，從而找到最合適控制因素確定各個影響因素對計算結(jié)果的影響程度，為后續(xù)鋼岔管有限元計算結(jié)果提供合理的控制依據(jù)。

鋼岔管應力；敏感性分析

1 前言

本水電站工程鋼岔管采用Revit三維程序進行建模，通過ABAQUS有限元軟件進行模型的處理，以及計算工況的擬定控制。本工程岔管有限元計算敏感性分析是在確定因素不變的情況下，分析三維有限元應力計算模型網(wǎng)格劃分大小、主支管邊界長度單一因素的變化，對三維有限元應力計算結(jié)果影響的變化規(guī)律。本文研究的結(jié)果對于鋼岔管的結(jié)構(gòu)設(shè)計及襯砌型式具有參考價值。

2 工程簡介

新疆某水電站工程為大（2）型Ⅱ等工程，主要由大壩、溢洪道、導流兼泄洪沖沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)等主要建筑物組成。

引水系統(tǒng)采用一洞三機聯(lián)合供水的布置型式，電站共三臺機組。鋼岔管段主管直徑2.6m，1#支管直徑2.1m，2#支管直徑1.4m。設(shè)計內(nèi)水壓力（加水錘壓力）7.5MP a。1#岔管采用800MP a級鋼材，管壁厚度為46m m，肋板厚度為100m m，肋寬比為0.35，肋板腰部外伸寬度為150m m。鋼岔管平面模型詳見圖1。

3 取值及計算結(jié)果影響因素分析

3.1 允許應力取值依據(jù)

鋼岔管構(gòu)件的允許應力值嚴格按照《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》（SL 281-2003）中表7.2.2執(zhí)行，詳見表1。岔管計算時依據(jù)岔管不同部位的應力區(qū)域進行取值，根據(jù)計算工況分別進行校核分析。

3.2 強度條件計算依據(jù)

空間結(jié)構(gòu)計算嚴格按照《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》（SL 281-2003）中式6.1.3—2規(guī)定執(zhí)行，即按照第四強度理論計算的等效應力小于等于允許應力與焊縫系數(shù)的乘積如式（1），本岔管計算焊縫系數(shù)φ取0.9。

圖1 某水電站工程鋼岔管平面模型

3.3 邊界長度對計算結(jié)果影響分析

通過改變主管、支管邊界長度分析對肋板應力的影響程度。擬定不變因素有:網(wǎng)格最大間距、并行處理器個數(shù)為4個C P U、荷載、材料參數(shù)、邊界約束條件、單元類型。擬定變化因素:主管及支管邊界長度分別取1倍管徑、2倍管徑、3倍管徑、5倍管徑、10倍管徑。通過5組主管及支管邊界長度變化，分析肋板應力最終趨向值，其應力云圖詳見圖2，應力單位（pa）。5組邊界長度計算肋板中點的Mi s e s應力值詳見表2，

除了龍王廟，筆者認為，船廠附近還應有衙署、軍營、驛站、工棚、庫房、工匠住宅、碼頭等設(shè)施，當然這些不可能全是劉清所建。因為劉清第一次來到船廠時，船廠已經(jīng)建立整整十年了，基礎(chǔ)設(shè)施和軍政建制應該完善了，劉清對此大多是進行修繕和增擴建。

根據(jù)對圖2中5組肋板中點應力值歸納。邊界長度取1倍管徑、2倍管徑、3倍管徑、5倍管徑、10倍管徑，對應肋板中點應力值分別為291.3Mpa、301.7Mpa、304.4Mpa、310.2Mpa、308.1Mpa。改變主管、支管邊界長度這個單一因素，當邊界長度逐漸增大，對肋板中面中點的應力影響不是特別明顯。

3.4 網(wǎng)格劃分密度對計算結(jié)果影響分析

通過ABAQUS軟件Mesh模塊中控制網(wǎng)格數(shù)目，即改變網(wǎng)格的最大間距，分析肋板網(wǎng)格對肋板應力的影響程度。擬定不變因素有:主支管邊界長度、并行處理器個數(shù)為4個 C P U、荷載、材料參數(shù)、邊界約束條件、單元類型。擬定變化因素:劃分網(wǎng)格間距分別取1.0m、0.5m、0.25m、0.125m、0.0625m、0.03125m。在計算過程中，為了能夠更清楚的反映網(wǎng)格大小對肋板應力的影響，加密兩組數(shù)據(jù)，即在0.0625m～0.03125m之間加密一組數(shù)據(jù)，0.03125m之后增加一組數(shù)據(jù)0.02m。其肋板應力云圖詳見圖3，應力單位（pa），8組網(wǎng)格劃分大小肋板中點的Mises應力值詳見表2。

根據(jù)對圖3中8組肋板中點應力值歸納。改變網(wǎng)格劃分大小這個單一因素，來確定網(wǎng)格劃分大小對肋板應力的影響程度。當網(wǎng)格劃分大小不斷加密后，肋板的應力由233.9MP a逐漸向306.7MP a趨近。在網(wǎng)格間距為0.25m時，肋板中面中點的應力為界限值，繼續(xù)加密網(wǎng)格后，肋板的應力值變化不明顯，并趨于平緩。

4 三維有限元計算成果敏感性分析及結(jié)論

4.1 敏感性分析

根據(jù)以上邊界條件、網(wǎng)格劃分密度對三維有限元計算敏感性分析計算結(jié)果，其敏感性分析計算成果詳見表2，并對計算數(shù)據(jù)繪制了應力-網(wǎng)格邊界長度關(guān)系曲線圖，以便查看影響因素對鋼岔管的應力應變影響規(guī)律，詳見圖4。

圖2 岔管、肋板應力云圖

圖3 網(wǎng)格密度影響分析肋板應力云圖

表2 敏感性分析計算成果表

圖4 應力-網(wǎng)格邊界長度關(guān)系曲線圖

4.2 敏感性分析結(jié)論

根據(jù)敏感性分析計算成果表、應力-網(wǎng)格邊界長度關(guān)系曲線圖分析，通過改變主管及支管邊界長度這個單一因素，來分析邊界長度對肋板應力的影響程度。當邊界長度從1倍管徑加長到2倍管徑、3倍管徑、5倍管徑、10倍管徑后，其岔管肋板中面中點的應力值應力差異分別為:3.45%、0.89%、1.87%、0.68%，由此分析得出肋板中點的應力值隨著邊界長度的逐漸增加變化不明顯。從以上計算成果的分析，結(jié)合圣維南定理以及計算過程效率，最終確定本水電站工程岔管三維有限元計算，選用自錐管末端起始3倍管徑的邊界長度條件作為模型計算邊界，其三維有限元計算的應力結(jié)果滿足材料的允許應力，滿足規(guī)程規(guī)范的要求是合適的。

通過改變肋板網(wǎng)格劃分密度這個單一因素，來確定網(wǎng)格大小對肋板應力的影響程度。當網(wǎng)格間距大小從 1m 變化到 0.5m、0.25m、0.125m、0.0625m、0.04688m、0.03125、0.02m時，其肋板中面中點的應力差異分別為:13.02%、9.2%、2.8%、0.62%、0.0653%、0.0652%。從以上計算成果分析，隨著網(wǎng)格的逐漸加密， 其肋板的應力值變化逐漸減小。當網(wǎng)格加密到0.0625m后，再加密網(wǎng)格其肋板應力值變化不明顯，從應力-網(wǎng)格邊界長度關(guān)系曲線圖也反映出其應力曲線逐漸趨于平緩。最終根據(jù)肋板應力值的變化規(guī)律，當肋板網(wǎng)格大小不斷加密，其肋板網(wǎng)格的長、寬比逐漸趨于一致、肋板內(nèi)外側(cè)曲線逐漸光滑平順。由此確定主管管徑為2.6m時，三維有限元計算模型網(wǎng)格間距取0.125m，其計算結(jié)果應力值比較合理。

綜合以上敏感性分析計算成果，最終確定了新疆某水電站工程岔管的設(shè)計參數(shù)和體型。

5 結(jié)語

結(jié)合新疆某水電站工程岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計，本次岔管三維有限元應力計算影響因素的敏感性分析基本探明了邊界長度、網(wǎng)格劃分大小對鋼岔管的應力應變影響的變化規(guī)律。此類敏感性分析的方法及結(jié)論，為鋼岔管有限元計算成果的分析、應力選取、結(jié)構(gòu)體型等設(shè)計參數(shù)的確定提供了合理的控制依據(jù)。

［1］王君峰，廖小烽.R e v i tA r c hi t e c t ur e2010建筑設(shè)計火星課堂［M］.北京:人民郵電出版社，2010:3-5.

［2］方海挺.A ut o C A D和有限元軟件的聯(lián)合建模及計算［J］.水利與建筑學報，2005（03）.

［3］李鎮(zhèn)坤A ut o C A D 20073D模型在水電工程中的應用［J］.四川水利發(fā)電，2009（02）.

［4］伍鶴皋，石長征，蘇凱.埋藏式月牙肋岔管結(jié)構(gòu)特性研究［J］.水利學報，2008，39（04）.

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10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.021

李 偉（1982年—），男，工程師。