地下埋管承受內(nèi)壓穩(wěn)定分析

蘭素紅

(新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

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地下埋管承受內(nèi)壓穩(wěn)定分析

蘭素紅

(新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

[摘要]地下埋管是大中型水電站中應(yīng)用最多的一種壓力管道，這種管道布置靈活，能和圍巖共同承擔(dān)水壓力，并且運(yùn)行不受干擾，維護(hù)簡(jiǎn)單。眾多的優(yōu)點(diǎn)使得地下埋管的研究設(shè)計(jì)越來(lái)越受到關(guān)注，對(duì)于地下埋管，鋼襯承受內(nèi)壓時(shí)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是一大重點(diǎn)。本文結(jié)合某水電站地下埋管的實(shí)際工程資料，按照鋼襯和圍巖聯(lián)合承載的原則對(duì)地下埋管上斜段進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，以確定鋼襯的厚度、加勁環(huán)間距及尺寸。然后利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析，得到鋼襯在內(nèi)壓下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。結(jié)果通過(guò)地下埋管三維有限元模型分析與用理論方法所求得出的環(huán)向正應(yīng)力相差無(wú)幾，在添加加勁環(huán)后，在外壓作用下，埋管也能滿(mǎn)足穩(wěn)定要求，所以設(shè)計(jì)滿(mǎn)足所以要求。

[關(guān)鍵詞]地下埋管；強(qiáng)度設(shè)計(jì)；ANSYS；

1有限元方法

1.1ansys有限元分析法介紹

ANSYS有限元分析法就是基于ANSYS軟件中的line等命令來(lái)建立keypoint和node的一種數(shù)學(xué)分析計(jì)算軟件，對(duì)廣大的用戶(hù)以及廣大的水工設(shè)計(jì)者們來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)福音，利用ANSYS軟件來(lái)做水工設(shè)計(jì)，不但可以大大的提高設(shè)計(jì)速度，還可以有效的提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率，ANSYS計(jì)算能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)捷是廣大用戶(hù)喜歡的原因?？偟膩?lái)說(shuō)，ANSYS有限元分析主要有以下三種方法。

1.1.1位移法

位移法是在節(jié)點(diǎn)上建立平衡方程，以每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移量來(lái)做為基本未知量。這種方法是一般用戶(hù)和程序設(shè)計(jì)員都比較喜歡的，因?yàn)樗倪壿嬓员容^強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模程序解題。

1.1.2力法

力法也是通過(guò)在節(jié)點(diǎn)上建立平衡方程，但基本未知量是節(jié)點(diǎn)上的力而不是節(jié)點(diǎn)上的位移。這種以結(jié)構(gòu)力學(xué)中力法為基礎(chǔ)的分析方法，在精確度上是位移法遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上的，缺點(diǎn)是不易于APDL的實(shí)現(xiàn)。

1.1.3混合法

混合法就是取位移法和力法的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合二者的基本理論以求在解題中同時(shí)實(shí)現(xiàn)位移法的流暢和力法的精確。

1.2結(jié)構(gòu)離散化

所謂結(jié)構(gòu)離散化是指將結(jié)構(gòu)根據(jù)實(shí)際情況分解成若干個(gè)相互直接通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接的小單元，這是實(shí)現(xiàn)有限元法分析的基礎(chǔ)性步驟，對(duì)于計(jì)算精度和計(jì)算效率有著非常大的影響，而結(jié)構(gòu)分解主要包含以下三個(gè)方面：

(1)在結(jié)構(gòu)離散化的過(guò)程之前要確定即將分解的單元的類(lèi)型，一般涵蓋單元形狀、單元節(jié)點(diǎn)數(shù)以及節(jié)點(diǎn)自由度三個(gè)方面的內(nèi)容。

(2)在確定了單元類(lèi)型之后就要根據(jù)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元的劃分，這個(gè)過(guò)程中應(yīng)該著重考慮首先是計(jì)算的精度，這與節(jié)點(diǎn)的多少有著很大的關(guān)系，網(wǎng)格劃分的越細(xì)，所分格出來(lái)的幾點(diǎn)也就越多，計(jì)算的精度也就越高。但是這種正比的趨勢(shì)并不能夠無(wú)限進(jìn)行，在網(wǎng)格加密程度提高到一定水準(zhǔn)之后，計(jì)算精度的提高程度明顯降低；其次就是分格單元的形狀問(wèn)題，一般選擇以接近正多邊形或正多面形的形狀為宜，如果選型為矩陣單元?jiǎng)t要盡量的減小長(zhǎng)邊和短邊的差值，而如果是三角形，則要保證三角形單元的三條邊盡可能接近，且?jiàn)A角盡量保持為非鈍角；再次就是要單元之間的節(jié)點(diǎn)要相互對(duì)應(yīng)，盡量避免節(jié)點(diǎn)與另一單元的邊界相連接；再次相同單元在材料方面要保持一致性；最后要保持網(wǎng)格劃分的規(guī)律性，以便計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別后自動(dòng)形成網(wǎng)格。

c.節(jié)點(diǎn)編碼。

1.3單元分析

通過(guò)對(duì)單元的力學(xué)分析建立單元?jiǎng)偠染仃嘯K](e)

[K](e)是由單元節(jié)點(diǎn)位移量{Φ}(e)求單元節(jié)點(diǎn)力向量{F}(e)的轉(zhuǎn)移矩陣，其關(guān)系式為{F}(e)=[K](e){Φ}(e)。

1.4整體分析

整體分析包括以下幾方面內(nèi)容：

(1)集成整體節(jié)點(diǎn)載荷向量P。結(jié)構(gòu)離散化后，單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞力，所以有限元法在結(jié)構(gòu)分析中只采用節(jié)點(diǎn)荷載，所有作用在單元上的集中力、體積力與表面力都必須靜力等效的移置到節(jié)點(diǎn)上去，形成等效節(jié)點(diǎn)載荷。最后，將所有節(jié)點(diǎn)荷載按照整體節(jié)點(diǎn)編碼順序組集成整體節(jié)點(diǎn)載荷向量。

(2)集成總體剛度矩陣[K]，得到總體平衡方程?？傮w剛度矩陣[K]是由整體節(jié)點(diǎn)位移向量{Φ}求整體節(jié)點(diǎn)力向量{F}的轉(zhuǎn)移矩陣，其關(guān)系式為{F}=[K]{Φ}，此即為總體平衡方程。

(3)引進(jìn)邊界約束條件，解總體平衡方程，求出節(jié)點(diǎn)位移。

(4)求出各單元內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變。

1.5ansys有限元應(yīng)用分析的步驟

ANSYS 典型的分析過(guò)程可分為四個(gè)主要步驟：

(1)前處理PEPP7(General Preprocessor)：創(chuàng)建或讀入有限元模型，建立有限元模型所需要輸入的資料，如節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)排列次序等；定義材料屬性；劃分網(wǎng)格。

(2)求解SOLU(Solution Processor)：施加荷載、設(shè)定約束條件、求解。

(3)一般后處理POST1(General Postprocessor) 或時(shí)間歷程后處理POST26 (Time Domain Postprocessor)

POST1處理方式主要用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)模態(tài)以及屈曲的分析，根據(jù)求解結(jié)果的分析信息以及其中中反映出來(lái)的反作用力、變形、應(yīng)變以及應(yīng)力等信息繪制相應(yīng)的分析曲線(xiàn)。而POST26多用于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的分析，主要處理求解結(jié)果與時(shí)間相關(guān)的時(shí)域。

(4)結(jié)果處理。在結(jié)果處理的過(guò)程中一定要給予檢驗(yàn)結(jié)果以高度的重視，對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真的檢查，重點(diǎn)分析檢驗(yàn)結(jié)果的正確性和合理性，如果結(jié)果顯示的誤差在鄖西的范圍之內(nèi)，則表明所分析的問(wèn)題得到了合理的解決，而如果結(jié)果顯示的誤差與實(shí)際工程系統(tǒng)的誤差相比過(guò)大，則就要根據(jù)實(shí)際情況制定相應(yīng)的分析改進(jìn)方案，重回當(dāng)前的處理進(jìn)行分析。

命令流方式是ANSYS 除GUI(圖形操作界面)外的另一種分析方式，所謂命令流也可以稱(chēng)之為參數(shù)化設(shè)計(jì)編程(ANSYS Parametric Design Language, APDL)，這種分析方式是以高級(jí)程序的語(yǔ)法為規(guī)則設(shè)計(jì)ANSYS參數(shù)，包括數(shù)的定義、數(shù)學(xué)表達(dá)式、分支及循環(huán)等。這種以參數(shù)化變量方式為基礎(chǔ)而建立的分析模型更加具有自由性，能夠讓用戶(hù)通過(guò)智能化的分析手段自動(dòng)的完成有限元分析過(guò)程，是ANSYS 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的工具之一。

1.6應(yīng)用ansys應(yīng)力分析

1.6.1采用點(diǎn)點(diǎn)接觸建立模型如圖1

圖1　點(diǎn)點(diǎn)接觸

1.6.2單元類(lèi)型

1)殼體單元(shell63)：半徑2.9 m，沿管軸線(xiàn)方向取10 m。網(wǎng)格沿圓周劃分36等份，沿軸線(xiàn)方向劃分20等份。如圖2。

圖2　鋼襯網(wǎng)格劃分圖

2)接觸單元(contac52)：其中接觸單元的偏移量為0.1 m。剛度系數(shù)Kn為53.5N/m，縫隙值GAP=0。如圖2。

1.6.3坐標(biāo)系選取

選取全局笛卡爾坐標(biāo)系，以管道的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿管軸線(xiàn)為Z軸; X軸和Y軸位于管道橫截面內(nèi)，水平向右為X軸正向;Y軸為鉛直向，向上為正。

1.6.4約束條件

外接觸點(diǎn)上加全約束，前后斷面加法向約束。

1.6.5荷載

鋼襯內(nèi)表面施加沿圓周方向的梯度荷載，梯度大小為-9 800 N/mm2，中心點(diǎn)的水頭為145.3 m，此外，整體受到重力作用，約束與荷載如圖3。

圖3　施加約束與荷載的模型

圖4　鋼襯應(yīng)力求解圖

1.6.6求解模型，結(jié)果如圖4

由圖4可知，鋼襯環(huán)向應(yīng)力為153 Mpa。

代入理論公式，計(jì)算環(huán)向應(yīng)力值：

可見(jiàn)理論值與有限元分析值僅差4Mpa,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上計(jì)算和分析，可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在地下埋管的建模中，所采用的是點(diǎn)點(diǎn)接觸的模型，并沒(méi)有采用埋管、回填混凝土、圍巖這三個(gè)單元的組合，主要是因?yàn)榭紤]到回填混凝土開(kāi)裂后即退出承載，其徑向應(yīng)力變?yōu)?，而ansys中的混凝土單元concret65并不滿(mǎn)足要求，會(huì)使有限元計(jì)算結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。另外，在用ansys進(jìn)行分析時(shí)，將縫隙值設(shè)為0，也是為了簡(jiǎn)化模型的計(jì)算。但總的來(lái)說(shuō)，有限元計(jì)算和理論計(jì)算之間差值較小，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。

(2)綜前所述，本工程地下埋管部分的鋼管壁厚度主要取決于外水壓力值，這樣就決定了排水設(shè)施在本工程地下埋管設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程中的重要性，通過(guò)排水系統(tǒng)埋管所承受的壓力值能夠得到非常有效的降低，這也就減少了外水對(duì)于鋼管的壓力，提高了系統(tǒng)的安全性。與此同時(shí)，由于本工程一定的特殊性，在運(yùn)行期和檢修期中還要做好鋼管外水壓以及地下水的監(jiān)測(cè)工作，認(rèn)真分析監(jiān)測(cè)值，對(duì)于存在的問(wèn)題要及時(shí)處理和解決，以保證管道運(yùn)行的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]黃濤,李生慶.地下埋管抗外壓穩(wěn)定分析[J].四川水力發(fā)電.2013(4).

[收稿日期]2015-07-31

[作者簡(jiǎn)介]蘭素紅(1974-)，女，四川青神人，工程師，主要從事水利運(yùn)行管理工作。

[中圖分類(lèi)號(hào)]TU441+.35

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)01-0158-02