Creo在煤礦井筒管路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙宗華

（中煤第一建設(shè)有限公司，河北 邯鄲 056000）

近年來(lái)，在國(guó)家和地方相關(guān)機(jī)構(gòu)有力推動(dòng)下，BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，煤炭行業(yè)也在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等各環(huán)節(jié)積極推廣BIM技術(shù)。目前，還尚未出現(xiàn)一款可以直接應(yīng)用在煤礦各環(huán)節(jié)的BIM軟件，尤其對(duì)于各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備BIM模型，仍需借助諸如Creo、Solidworks、Inventor等機(jī)械行業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件。Creo是美國(guó)PTC公司推出的三維設(shè)計(jì)軟件，具有參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于特征建模、單一數(shù)據(jù)庫(kù)（全相關(guān)）的特點(diǎn)，具有二維制圖、三維建模、整體裝配和有限元分析等功能。同時(shí)，Creo建立的三維模型可導(dǎo)入Revit、ArchInCAD等BIM軟件。在目前軟件平臺(tái)欠缺的情況下，機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)人員可以借助Creo的強(qiáng)大功能開(kāi)展三維設(shè)計(jì)工作。

在設(shè)計(jì)井筒管路時(shí)，應(yīng)設(shè)置防彎裝置及托管裝置。防彎裝置一般借助梯子間主梁或管道梁，并設(shè)置導(dǎo)向裝置，其作用是保持管路縱向穩(wěn)定；托管裝置由焊接直管座及各支承梁組成，用以承受作用于管路上的各項(xiàng)荷載。

1 管路荷載分析

煤礦生產(chǎn)常用管路主要有排水管路、壓縮空氣管路、注氮管路、消防灑水管路和黃泥灌漿管路，其中以排水管路的受力情況最為復(fù)雜，本文以排水管路為例對(duì)管路荷載情況進(jìn)行分析。

管路支承梁承受荷載主要包括：永久荷載、可變荷載和偶然荷載。永久荷載主要是各管路、管件、法蘭及各種連接件的自重，實(shí)際計(jì)算時(shí)可取分段管路自重的1.3倍?？勺兒奢d包括水柱重力和溫度力。計(jì)算水柱力時(shí)，一般認(rèn)為水柱重力全部作用于最底層的支承梁，其余層位可取全部水柱重力的一定比例。溫度力是由于環(huán)境溫度變化，管路不能自由伸縮引起的，計(jì)算時(shí)溫差應(yīng)參考管路安裝地點(diǎn)環(huán)境溫度變化確定。若在管路上安裝管路伸縮器時(shí)，溫度力可忽略不計(jì)，但現(xiàn)有管路伸縮器承受壓力較小，密封性能較差，在壓力較小的氣體傳輸管路上應(yīng)用較多，對(duì)于壓力較大、受力復(fù)雜的排水管路，應(yīng)用較少。偶然荷載主要是直接水錘力，水錘力的產(chǎn)生機(jī)理及過(guò)程比較復(fù)雜，雖然可通過(guò)在水泵出口安裝微阻緩閉止回閥在一定程度上緩解水錘作用，但為保證管道安全，計(jì)算受力時(shí)，認(rèn)為直接水錘力全部作用于最底層的支承梁，其余層位可取水錘力的一定比例。

計(jì)算各分項(xiàng)荷載后，將各荷載進(jìn)行基本組合和偶然組合計(jì)算，取兩者較大值，再根據(jù)礦井服務(wù)年限取結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值。

圖1為設(shè)計(jì)的國(guó)投哈密大南湖七號(hào)煤礦進(jìn)風(fēng)立井井筒管路布置平面圖。井筒深度226m，布置1趟D219×6注氮管路、1趟D325×8壓縮空氣管路和2趟D325×10主排水管路。

圖1 井筒管路布置平面圖

考慮井筒深度較淺，且新疆地區(qū)溫差較大，溫度力在各管路受力中占比較大，僅在井筒與管子道開(kāi)口上部5m處設(shè)置一托管裝置，此時(shí)管路一端可自由伸縮，不再考慮溫度力的影響。在確保管路安裝穩(wěn)定可靠的情況下，避免安裝管路伸縮器，減少托管裝置數(shù)量，減小管路荷載，技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

經(jīng)計(jì)算各管路荷載情況如表1所示。

表1 各管路荷載匯總表 單位：kN

2 建立三維模型

2.1 防彎裝置

防彎裝置承受荷載較小，可利用梯子間主梁，導(dǎo)向裝置采用鋼帶結(jié)構(gòu)形式，具有調(diào)節(jié)靈活、穩(wěn)定可靠、使用時(shí)間長(zhǎng)、不易損壞等特點(diǎn)。導(dǎo)向裝置三維模型如圖2所示。

2.2 托管裝置

根據(jù)管路受力情況，對(duì)托管裝置的各焊接直管座和支承梁進(jìn)行初步估算。各支承梁采用焊接型鋼，材質(zhì)選擇Q345B，各梁斷面尺寸見(jiàn)表2。初步確定各部件尺寸后，在Creo中建立各安裝構(gòu)件三維模型，并在Creo中進(jìn)行裝配。托管裝置如圖3所示。

表2 各支承梁斷面尺寸匯總表 單位：mm

圖2 導(dǎo)向裝置三維模型

圖3 托管裝置

3 有限元分析

Creo具有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析功能，本文僅以井筒排水管路的焊接直管座及托管大梁的有限元分析為例，對(duì)Creo的有限元分析方法及流程加以說(shuō)明。

3.1 焊接直管座

由“零件”模式下的三維模型界面“應(yīng)用程序—Simulation”菜單進(jìn)入有限元分析模式。

（1）分配材料

對(duì)焊接直管座各部分設(shè)置材料屬性，其中無(wú)縫鋼管采用20#鋼，其余部分采用Q345B。

（2）施加荷載

焊接直管座承受荷載主要為管路重力、水柱壓力及水錘力。管路重力（永久荷載263.7kN）以“力/力矩”形式施加于焊接直管座管路頂部；水柱壓力（可變荷載181kN）以“壓力”形式施加于焊接直管座管路內(nèi)壁；水錘力（偶然荷載169.4kN）以“力/力矩”形式施加于焊接直管座管路底部。

（3）設(shè)置約束

選取焊接直管座底板底面，設(shè)置為固定約束。

（4）分析研究

建立靜態(tài)分析，焊接直管座應(yīng)力云圖及位移云圖如圖4所示。由圖可知，焊接直管座最大應(yīng)力為114.17MPa，位于無(wú)縫鋼管與底板焊接處；最大位移為0.148mm，位于焊接直管座頂部。由此可知，焊接直管座滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 焊接直管座應(yīng)力及位移云圖

3.2 托管大梁

對(duì)于托管大梁的有限元分析，可采用Creo“精細(xì)模型—梁”進(jìn)行分析。此種分析方法是將梁進(jìn)行理想化處理，避免了由圓孔及焊接引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

（1）建立模型

在“零件”模式下繪制與梁等長(zhǎng)度的直線，進(jìn)入有限元分析模式，根據(jù)梁實(shí)際受力情況，在直線上根據(jù)托管大梁支承及受力位置創(chuàng)建基準(zhǔn)點(diǎn)。選取直線，對(duì)梁斷面進(jìn)行設(shè)置。

（2）分配材料

大梁材質(zhì)為Q345B。

（3）施加荷載

選取創(chuàng)建的各基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置荷載，方向?yàn)閅軸負(fù)向。

（4）設(shè)置約束

分別選取梁兩端點(diǎn)，一端設(shè)置為活動(dòng)鉸支座，一端設(shè)置為固定鉸支座。

（5）分析研究

建立靜態(tài)分析，大梁應(yīng)力及位移曲線見(jiàn)圖5。大梁最大應(yīng)力為160MPa，最大位移為8.43mm。由此可知，托管大梁滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文以筆者設(shè)計(jì)的國(guó)投哈密大南湖七號(hào)煤礦進(jìn)風(fēng)立井井筒管路為例，對(duì)井筒管路受力情況進(jìn)行分析，利用Creo軟件對(duì)井筒管路防彎裝置和托管裝置進(jìn)行三維建模及有限元分析，分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。以此簡(jiǎn)要說(shuō)明Creo軟件在煤炭行業(yè)三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)煤炭行業(yè)BIM設(shè)計(jì)的發(fā)展具有一定借鑒意義。

圖5 托管大梁應(yīng)力及位移曲線