吉音水庫貼邊岔管有限元分析

郝永志

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊　830000)

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吉音水庫貼邊岔管有限元分析

郝永志

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000)

摘要：貼邊岔管是由主管、支管和貼邊焊接而成，是一種板殼組合結(jié)構(gòu)，其在內(nèi)水壓力作用下應力分布和變形很不均勻，采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學方法計算結(jié)果較為粗糙，無法準確計算岔管整體和局部細節(jié)的應力大小及分布情況。采用有限元方法計算分析，可在設計階段了解岔管的應力分布和變形情況，為合理設計岔管提供重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：吉音水庫；貼邊岔管；有限元分析

0前言

岔管是一種壓力鋼管管道，設置于輸水管道的分岔處，在采用聯(lián)合供水或分組供水時，一根管道需供應2臺或更多機組用水，這種岔管位于廠房上游側(cè)。有時，一根引水道需要分成2根以上的壓力管道。通常位于調(diào)壓井底部或調(diào)壓井下游。岔管在輸水、引水建筑物中扮演著非常重要的角色[1]。隨著近幾年中國水電項目開發(fā)力度加大，高水頭、大HD(內(nèi)水壓力水頭H與鋼管管徑D)值的岔管在工程運用中屢創(chuàng)新高，其安全可靠運行及工程投資備受關(guān)注[2]。如何避免岔管的鋼材耗費過大、簡化焊接工藝、降低施工難度、滿足鋼板最小厚度、降低造價等問題，成為現(xiàn)階段岔管安裝制作的首要問題[3]。因此，分析岔管整體結(jié)構(gòu)在受內(nèi)水壓力作用時的應力應變情況，對工程設計人員選擇正確合理的工程措施提供參考。

1工程概況

吉音水利樞紐工程位于新疆和田地區(qū)于田縣境內(nèi)，總庫容0.82億m3，水庫正常蓄水位2 509.00 m，死水位2 470.00 m，調(diào)節(jié)庫容0.60億m3，電站裝機24 MW，年發(fā)電量1.058億kWh，為Ⅱ等工程。

發(fā)電引水系統(tǒng)布置在河道右岸，引水系統(tǒng)采用1洞3機聯(lián)合供水的布置型式，電站共3臺機組，設計發(fā)電引水流量31.8 m3/s，額定水頭90 m。發(fā)電引水系統(tǒng)由引水渠、進水閘井、壓力引水隧洞、壓力鋼管段(包括豎井段和下水平段)、岔管及支管段組成，長547.76 m；其中發(fā)電引水隧洞及壓力鋼管總長520.76 m。

2計算原理和分析方法

2.1材料參數(shù)

(1) 鋼管材質(zhì)

鋼材選用WDL610C，具體參數(shù)見表1。

表1　WDL610C鋼參數(shù)表

(2) 材料允許應力

材料允許應力見表2～3。

表2　材料允許應力取值表

表3　WDL610C鋼允許應力表

注：取焊縫系數(shù)φ=0.95。

2.2岔管幾何建模

吉音貼邊岔管為卜型結(jié)構(gòu)，岔管主管段直徑3.3 m，斜支管段直徑1.7 m，管壁厚度初定26 mm，外貼邊厚度初定為26 mm(連同管壁厚度該處總厚度為52 mm)，主管貼邊寬度為925 mm，支管貼邊寬度為616 mm。岔管分岔角為60°。

幾何建模主要通過AUTO DESK公司的三維建模軟件REVIT建立岔管三維實體模型。主要方法是通過旋轉(zhuǎn)、拉伸、切割和放樣融合等命令建立各管節(jié)。由于岔管計算是基于彈性力學的板殼理論，模型的連續(xù)性極為重要，因此，各管節(jié)之間要保證嚴格的連續(xù)性，才能獲得正確的有限元模型。

將Revit中建立好的實體幾何模型保存成.sat格式的文件導入有限元分析軟件，導入后的岔管模型仍然為三維實體模型，由于岔管單元類型為殼單元，殼單元的基本特點是表面具有厚度，因此實體模型與殼單元無法匹配，對實體模型進行修改，最終形成只存在岔管中心面的薄殼結(jié)構(gòu)，通過有限元軟件定義屬性，給定殼體厚度，再用殼體單元劃分網(wǎng)格實現(xiàn)有限元模型與幾何模型的合理匹配。因此，需對導入的實體模型進行大量修改工作，使之成為幾何上嚴格連續(xù)的線和面。三維實體模型如圖1所示。

2.3應力控制節(jié)點

由板殼理論和以往眾多工程岔管的有限元計算分析與水壓試驗的結(jié)果可知，貼邊岔管應力變化較大的部位在主、支的連接處，尤其是角度尖銳的部位，如圖2中A點，此位置是岔管的應力控制部位，有限元旨在了解應力控制部位的應力大小及變化情況，分別用字母表示，主要是A、D兩點，此外，為了觀察管殼應力的變化，同時加入B、C、D、E、F、G、H、I、J點。計算結(jié)果以列表的形式給出管殼控制點內(nèi)表面、中面、外表面按照第四強度理論計算的等效應力[4-5]。岔管各部位應力控制點見圖2。

圖1　貼邊鋼岔管三維實體圖

圖2　應力控制點示意圖

2.4有限元模型

貼邊岔管是一個復雜的空間板殼組合結(jié)構(gòu)，主、支管相交處增設補強板，使開孔后的孔周膜應力接近主鋼管。為保證岔管的原始體型和空間結(jié)構(gòu)，主、支管采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，每個網(wǎng)格單元都有沿著X、Y、Z方向的平移自由度和UX、UY、UZ方向的旋轉(zhuǎn)自由度。為消除邊界條件對有限元計算的影響，主、支管的長度分別取各管徑直徑的2倍。整體岔管共劃分864個網(wǎng)格單元。岔管網(wǎng)格見圖3。

邊界條件和約束條件是對計算結(jié)果影響較大的因素，但一般的靜力彈性計算邊界條件和約束條件較精確。該岔管模型的約束條件為固端全約束，即位移和轉(zhuǎn)角均為0。設計內(nèi)水壓力(加水錘壓力)為189 m。

圖3　岔管網(wǎng)格圖

2.5強度條件

應力控制按照SL281—2003《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》[6]中式6.1.3規(guī)定執(zhí)行，即按照第四強度理論計算的等效應力應該小于等于允許應力與焊縫系數(shù)的乘積[4]，如式(1)。本計算取焊縫系數(shù)φ=0.95。

(1)

3計算結(jié)果與分析

3.1方案選取

本文共進行了3個方案的計算，運行工況均為設計發(fā)電引水流量31.8 m3/s、額定水頭90 m時對貼邊岔管的影響。各方案結(jié)構(gòu)調(diào)整參數(shù)如表4。

表4　貼邊岔管參數(shù)表

根據(jù)3個方案計算成果分別與明岔管、埋管允許應力進行比較，以選取合適的方案，比較結(jié)果見表5。

由表5中可以看出：方案1相貫線部位局部膜應力略微超過了鋼材允許應力，但相差不大，且外包鋼筋混凝土可作為安全儲備，因此此方案亦可作為備選方案；方案2增加貼邊厚度增加2 mm，各部位應力都滿足相應允許應力的要求。方案3再增加2 mm，各應力均滿足要求，但應力較小。因此，本工程推薦方案2。

3.2方案2計算結(jié)果

鑒于篇幅有限，本文只提供推薦方案的計算結(jié)果。岔管內(nèi)壁、中面、外壁應力見圖4～6?？刂泣c等效應力統(tǒng)計見表6。

圖4　岔管內(nèi)壁應力云圖

圖5　岔管中面應力云圖

圖6　岔管外壁應力云圖

方案Mises應力最大值/MPa方案1方案2方案3允許應力/MPa明管埋管(+10%)埋管(+20%)埋管(+30%)整體膜應力432.4401.8512.4202.8223.1267.7348.0局部膜應力401.8365.5335.1324.5357.0428.3556.8表面峰值應力512.4463.3421.8465.5465.5465.5465.5

表6　貼邊岔管控制點等效應力表　/MPa

由圖4～6及表6可以看出，最大應力出現(xiàn)在底面的A點處，最大主應力為463.3 MPa，D點最大主應力為293.2 MPa。值得關(guān)注的A、D兩點的應力值是整個岔管結(jié)構(gòu)中應力值最大的2點，這也與相似工程的計算結(jié)果吻合。通過有限元計算，可以直觀的觀察到岔管整體結(jié)構(gòu)中各個部位的應力值，為工程設計人員選擇正確合理的工程措施提供參考。

4結(jié)語

通過以上分析可知，對貼邊的寬度和厚度進行補強可影響到岔管應力的分布。實際工程中，鋼岔管一般埋入具有一定強度的圍巖中，若考慮圍巖作用(如表6所考慮)可減薄貼邊補強厚度，達到經(jīng)濟合理地目的。同時，通過有限元計算，可以直觀地觀察到岔管整體結(jié)構(gòu)中各個部位的應力值，為工程設計人員選擇正確合理的工程措施提供參考。

參考文獻:

[1]朱宏偉,任德記,高陽峰,李廣民.月牙肋鋼岔管的有限元分析[J].水利科技與經(jīng)濟,2008,(02):113-114,120.

[2]翟明杰,穆詠梅,王東黎.有限元法在貼邊岔管結(jié)構(gòu)分析中的應用[J].特種結(jié)構(gòu),2012,(01):109-112.

[3]何新紅,曹媛,石廣斌,賀鎮(zhèn),程永安.某泵站貼邊岔管結(jié)構(gòu)分析[J].西北水電,2010,(06):20-22,35.

[4]周維.貴州響水水電站擴機工程鋼岔管有限元計算分析[J].河南水利與南水北調(diào)，2013，(05)：60-62.

[5]韓守都,吳俊杰,王小軍.鋼岔管三維參數(shù)化設計方法的研究與應用[J].水電能源科學，2015，(03)：180-184.

[6]SL281-2003,水電站壓力鋼管設計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2003.

The Welded Bifurcated Penstock Analyzed by Finite Element Method

HAO Yongzhi

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi830000，China)

Abstract:The welded bifurcated penstock consists of main penstock, bifurcation and welded side. It is a shell combined structure. Its stress distribution and deformation under action of the internal hydraulic pressure are quite uneven. Calculated by the conventional structural mechanics method, their results are rough. The stress and its distribution of the whole penstock and local components cannot be calculated accurately. By application of the finite element method, the stress distribution and deformation of the bifurcated penstock can be calculated, analyzed and learnt at design stage, provide the rational design of the bifurcated penstock with important basis.

Key words:Jiyin Reservoir; welded bifurcated penstock; finite element method

中圖分類號：TV732.43

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.010

作者簡介：郝永志(1986- ),男,黑龍江省穆棱市人,工程師，主要從事水利水電工程勘測、規(guī)劃設計工作.

收稿日期：2015-06-09

文章編號：1006—2610(2016)01—0039—04