某水電站高壓鋼岔管三維有限元計(jì)算

雷娜

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

某水電站高壓鋼岔管三維有限元計(jì)算

雷娜

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

基于有限元數(shù)值分析，建立岔管三維有限元模型，能夠反映岔管在高內(nèi)水壓力作用下的整體應(yīng)力及局部應(yīng)力狀態(tài)，能較為精確完整地反映鋼岔管運(yùn)行期的實(shí)際受力情況。以新疆某水電站高壓鋼岔管為例，采用AUTODESK軟件建立模型導(dǎo)入有限元軟件，修改后生成幾何模型及有限元模型，采用殼單元進(jìn)行模擬計(jì)算，取得了較為合理的成果，對(duì)于同類鋼岔管的建模及計(jì)算有一定的參考意義。

鋼岔管；有限元；薄殼結(jié)構(gòu)

1 工程概況

某水電站工程由大壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、廠房等建筑物組成。電站采用“一洞三機(jī)”的布置方式。工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型。

發(fā)電引水洞及電站地面廠房布置于左岸，發(fā)電引用流量40m3/s，毛水頭660m，整個(gè)引水系統(tǒng)總長19km，發(fā)電引水系統(tǒng)由進(jìn)口引渠、閘井段、發(fā)電引水洞、調(diào)壓井、斜井段、下平洞段、岔管段和水電站廠房組成。

1.1 計(jì)算模型

1#岔管最終方案采用800MPa級(jí)鋼材，管壁厚46mm，肋板厚100mm，肋寬比0.35，肋板腰部外伸寬度150mm，主管入口直徑2.6m，直支管出口直徑由2.0m增加到2.1m，斜支管出口直徑由1.35m增加到1.4m，其管殼平面結(jié)構(gòu)及肋板結(jié)構(gòu)如圖1，圖2。

圖1 岔管體型

圖2 肋板體型

1.2 鋼管材質(zhì)

岔管選用800MPa級(jí)鋼材（HT780），鋼材彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比μs=0.3，線膨脹系數(shù)αs＝1.2× 10-5/℃，比重γs=78.5×10-5N/mm3。

1.3 允許應(yīng)力

對(duì)岔管應(yīng)力變化較大的部位，都在各管節(jié)的連接處及肋板內(nèi)緣的腰部；另岔管中心分岔點(diǎn)附近管殼內(nèi)、外壁往往存在較高的彎曲峰值應(yīng)力，這些位置是岔管的應(yīng)力控制部位。其中整體膜應(yīng)力區(qū)域?qū)?yīng)每個(gè)管節(jié)中間區(qū)域（應(yīng)力分布較為均勻），局部膜應(yīng)力區(qū)域?qū)?yīng)相鄰管節(jié)連接部位（產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中），局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力區(qū)域?qū)?yīng)受彎曲作用管節(jié)連接處內(nèi)、外壁及肋板表面，局部自限性峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)岔管頂點(diǎn)O點(diǎn)附近及檔部附近區(qū)域，該部位中面膜應(yīng)力不高，但管壁表面峰值應(yīng)力較高，主要是軸向彎曲應(yīng)力，且應(yīng)力集中范圍很小，應(yīng)力具有自限性，即局部屈服和小量變形可以使變形連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大，這種類型的應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。

2 計(jì)算模型及基本假定

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型包括岔管整體有限元模型及肋板有限元模型，計(jì)算假定鋼板材料為均勻、連續(xù)且各向同性介質(zhì)［1-2］。單元類型采用殼單元，實(shí)常數(shù)根據(jù)管壁厚度分段分配。岔管整體有限元模型及肋板有限元模型如圖3，圖4。

圖3 岔管整體有限元模型

圖4 肋板有限元模型

2.2 邊界條件

為減少邊界約束對(duì)鋼岔管主體部分的影響，主直管和支直管長度分別取該處鋼管半徑的兩倍以上，因結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱，取岔管上半部分進(jìn)行計(jì)算，上下結(jié)構(gòu)的分界面施加對(duì)稱約束。

在運(yùn)行工況下，管內(nèi)壁承受7.5MPa內(nèi)水壓力；各管節(jié)厚度及梁厚度均扣除2mm的銹蝕磨損裕度。假定3個(gè)直管管口，因管道和回填混凝土的限制，無軸向位移。

2.3 強(qiáng)度條件

應(yīng)力控制按照SL281—2003《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定執(zhí)行，即第四強(qiáng)度理論計(jì)算的等效應(yīng)力應(yīng)小于等于允許應(yīng)力與焊縫系數(shù)的乘積［4-5］，本計(jì)算取焊縫系數(shù)φ=0.9。

3 計(jì)算成果

計(jì)算成果主要以節(jié)點(diǎn)應(yīng)力及應(yīng)力云圖表示。了解岔管各管節(jié)轉(zhuǎn)折部位應(yīng)力及整體應(yīng)力分布。

3.1 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

節(jié)點(diǎn)應(yīng)力如表3，列出點(diǎn)A~K個(gè)點(diǎn)的中面、表面及底面應(yīng)力及肋板應(yīng)力。

由節(jié)點(diǎn)應(yīng)力得出：

（1）岔管運(yùn)行工況下鈍角區(qū)腰線各控制點(diǎn)的應(yīng)力均在表2對(duì)應(yīng)鋼材的局部膜應(yīng)力以及局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力的允許應(yīng)力范圍之內(nèi)，且仍有一定余度。

（2）岔管頂點(diǎn)O點(diǎn)中面膜應(yīng)力不高，滿足運(yùn)行工況允許應(yīng)力的要求。

（3）O點(diǎn)附近NO、DO線上的局部區(qū)域中面膜應(yīng)力也不高，滿足允許應(yīng)力要求。

（4）運(yùn)行工況下由于肋板的加強(qiáng)作用，I點(diǎn)岔襠部位整體應(yīng)力并不高，均滿足允許應(yīng)力要求。

表3 運(yùn)行工況應(yīng)力 單位：MPa

3.2 應(yīng)力云圖

本次計(jì)算給出肋板直支管側(cè)及斜直管側(cè)表面應(yīng)力及中面應(yīng)力分布云圖，岔管內(nèi)壁、外壁及中面等效應(yīng)力云圖如圖5~圖10。

由圖5～圖7可知，運(yùn)行工況下肋板應(yīng)力分布均勻，最大值出現(xiàn)在與岔管相接的岔襠部位，均為超過允許應(yīng)力且有一定余度。滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8~圖10可知，管殼內(nèi)、外壁及中面膜應(yīng)力，在岔管頂點(diǎn)O點(diǎn)附近的局部應(yīng)力集中范圍和程度略有區(qū)別。從內(nèi)外壁應(yīng)力云圖可以清晰地看出岔管頂點(diǎn)O附近區(qū)域的的存在范圍較小的峰值應(yīng)力，此類應(yīng)力具有自限性。而管壁中面的應(yīng)力云圖表明管壁中面應(yīng)力相對(duì)均勻。運(yùn)行工況下應(yīng)力極值均未超過允許應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 運(yùn)行工況肋板直支管側(cè)表面應(yīng)力

圖6 運(yùn)行工況肋板中面應(yīng)力

圖7 運(yùn)行工況肋板斜支管側(cè)表面應(yīng)力

圖8 運(yùn)行工況岔管內(nèi)壁面應(yīng)力

圖9 運(yùn)行工況岔管中面等效應(yīng)力

圖10 運(yùn)行工況岔管外表面等效應(yīng)力

4 結(jié)語

（1）按照規(guī)范結(jié)構(gòu)力學(xué)方法所得計(jì)算成果和岔管水壓試驗(yàn)結(jié)果有很大的差異，對(duì)于大型和重要的水電站，這種計(jì)算方法較難滿足要求［3-5］。

（2）目前，采用有限元分析方法設(shè)計(jì)鋼岔管已為工程界所接受，有限元法可以較為精確地求得管殼及肋板局部的應(yīng)力大小及應(yīng)力分布情況，模擬岔管各個(gè)部位的變形情況，特別是能夠反映岔管局部范圍的應(yīng)力集中情況，為岔管設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

［1］王勖成，邵敏．有限單元法基本原理和數(shù)值方法（第2版）［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1997．

［2］李哲斐．鋼岔管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］．南京：河海大學(xué)，2005．

［3］潘家錚.壓力鋼管［M］．北京：電力工業(yè)出版社，1982．

［4］王小軍.基于三維有限元的卜型月牙肋鋼岔管設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析［J］.水電能源科學(xué)，2016（3）．

［5］SL281—2003，水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

（責(zé)任編輯：姜彤宇）

Three-dimensional finite element simulated calculation of high pressure steel branch pipe of a hydropower station

LEI Na
（Xinjiang Scientific Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China）

Based on the numerical analysis of finite element method，the establishment of branch pipe three-dimensional finite element model can reflect the whole and local stress state of branch pipe under the action of high water pressure，the actual stress of bifurcated pipe is accurately reflected in operation period.This paper take a high pressure branch pipe of hydropower station in Xinjiang as an example，the Autodesk software is use to establish the model and imported the finite element software，the geometry model and finite element model are generated after modified.The shell element is used to simulate and obtained the reasonable results.It have a certain reference for similar steel branch pipe modeling and calculation.

steel branch pipe；finite element；thin shell structure

TV732.4

B

1672-9900（2017）01-0059-04

2017-02-10

雷 娜（1985-），女（漢族），陜西渭南人，碩士，主要從事水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作，（Tel）18290806017。