Catia軟件對岔管線彈性的有限元計算及分析

閔 毅，畢晨曦

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 研究背景

近年來，隨著長距離輸水工程的全面鋪開建設，鋼管設計也隨之變得尤為重要，岔管做為鋼制管件的重要組成部分，對其的計算研究一直是設計者們關注的重點。通過有限元軟件對岔管進行計算分析是目前最主要的手段。

Ansys做為一款成熟的有限元分析軟件，成為了大多數設計者的首選。田靜[1]等利用Ansys軟件對月牙肋岔管進行了有限元計算分析；李春永[2]將鋼襯鋼筋混凝土岔管做為論文的研究對象利用Ansys軟件進行了深入的計算分析。而Ansys在建模過程中花費時間較長，特別是對于復雜模型，往往需要幾天才能完成。相比之下，Catia軟件的功能非常強大，包含有70多個工作臺，幾乎涉及到設計用的所有方面[3，4]，其具有建模時間短，參數化功能強大，操作便捷等優點，極大地提高了設計人員的工作效率，但對于其在有限元計算上所得的結果，在水利行業內還未被廣泛接納，因此本文利用Catia軟件針對岔管做了有限元計算分析，并得出了相應結論。

2 Catia與Ansys有限元分析軟件的計算對比

鋼制三通是長距離輸水管線中的重要組成部分，可以歸為型式簡單的岔管，尤其在泵站工程中應用最多。三通結構看似簡單，但受力計算卻極為復雜，因此鋼制三通壁厚的選取就顯得尤為重要了，而有限元計算就成為了三通結構計算的重要手段。本章節分別利用Ansys、Catia軟件對同一DN800×dn800的等徑三通模型進行計算，將二者的計算結果進行比較，并得出了相應結論。

2.1 有限元模型的建立

鋼制三通的參數見表1：

表1 鋼制三通參數表

分別利用Ansys17.0軟件[5]、CatiaV5R20軟件，根據表1鋼制三通的實際參數建立有限元模型，其各自的單元類型、網格劃分、網格尺寸及約束參數見表2，三維模型見圖1、圖2。

表2 單元類型及網格劃分參數表

圖1 Ansys17.0有限元三通模型

圖2 CatiaV5R20有限元三通模型

2.2 結果對比與分析

分別利用兩款軟件的計算模塊對三通模型進行計算，所得結果見表3，應力、應變云圖見圖3～圖6。

表3 應力應變計算結果比較

圖3 Ansys17.0三通模型應力云圖

圖4 CatiaV5R20三通模型應力云圖

圖5 Ansys17.0三通模型應變云圖

圖6 CatiaV5R20三通模型應變云圖

從計算的應力應變云圖中可以看出，Ansys、Catia軟件計算的最大應力分別為123.7 MPa、117.8 MPa，最大應力值相差5.8 MPa；最大應變分別為0.675 mm、0.607 mm，最大應變值相差0.068 mm；且二者最大應力值都發生在鋼制三通主管與支管相交的管內部位，最大應變值都發生在鋼制三通主管與支管結合處的頂、底部。

通過對比可以發現，Ansys與Catia軟件的計算結果基本一致，且誤差很小，應力應變分布位置也基本相同，因此證明了針對鋼管線彈性有限元分析，利用Catia軟件進行計算分析是可行的，且結果也具有較高的準確性。Catia軟件操作便捷、模型參數化等特點極大地提高了工作效率，方便了設計者的日常應用。

3 岔管模型的計算分析

岔管是主管線分流的核心組成部件，也可以說是整個管線工程的核心，“Y”型岔管、卜型岔管是管線中最常見的岔管類型，對于岔管結構的計算分析歷來都是管線設計工作的重中之重，一旦岔管在工程運行中出現問題，將給整個工程帶來巨大的損失。本節將針對“Y”型岔管，利用Catia軟件進行建模與計算分析。

3.1 有限元模型的建立

以延安黃河引水工程新舍谷五級泵站中的“Y”型岔管為例，利用Catia軟件對其進行建模、計算與分析。岔管壁厚16 mm，計算壁厚14 mm，計算內水壓力1.0 MPa，岔管材質采用Q235C。

“Y”型岔管的結構參數見表4，三維模型見圖7。

表4 “Y”型岔管結構參數表

圖7 “Y”型岔管三維模型

3.2 計算與分析

利用Catia軟件對“Y”型岔管進行計算，所得應力、應變云圖見圖8～圖9。

圖8 “Y”型岔管應力云圖

圖9 “Y”型岔管應變云圖

從計算云圖可以看出，“Y”型岔管的最大應力值為93.9MPa，且小于0.8σs[6]，發生在兩支管與U型梁相交的管內部中腰部位；最大應變值為0.628 mm，發生在兩支管頂、底部。經計算分析，“Y”型岔管的計算極值小于容許值，應力應變分布符合一般規律，證明岔管的壁厚、U型梁、腰梁及連接柱選型合理，設計滿足規范要求。

通過利用Catia軟件對“Y”型岔管進行有限元計算分析，更進一步證明了其有限元計算功能對于線彈性模型的分析計算具有較高的準確性。

4 結語

從建模過程來講，Catia相比于Ansys更加簡便快捷，特別是其參數化功能更加強大，在需要調整模型結構時，修改模型中相應標注即可完成，大大縮短了工作時間，避免了二次建模的繁瑣步驟，為設計人員提供了更便捷的操作平臺。

從有限元計算方面來看，Catia與Ansys對同一模型的計算結果基本一致，即在岔管線彈性有限元分析方面，利用Catia軟件進行有限元計算分析是可行的。針對延安黃河引水工程新舍谷五級泵站中的“Y”型岔管，Catia軟件有限元計算的結果也具有較高的準確性，為設計提供了有效可靠的技術支撐，也為以后的工程設計提供了依據。