CATIA在月牙肋鋼岔管三維參數(shù)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

月牙肋岔管是由三梁式岔管不斷演變、改進(jìn)而來(lái)的一種岔管型式，因其具有結(jié)構(gòu)受力好、管內(nèi)水流平順、水頭損失小等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外水利水電工程中應(yīng)用較多的一種岔管型式[1]。月牙肋岔管體型與受力狀態(tài)比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)規(guī)范不斷調(diào)整岔管體型參數(shù)，獲得合理的體型，再按照解析法將空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題進(jìn)行受力分析[2]，若受力不滿足要求，則再對(duì)體型與板厚進(jìn)行修改，直到體型與受力均滿足要求。不論是體型設(shè)計(jì)還是受力分析，工作量都非常大，特別在工程可研與初設(shè)階段進(jìn)行多種方案比較時(shí)，傳統(tǒng)方法的劣勢(shì)就非常明顯。此外，在施工詳圖設(shè)計(jì)或者工廠制作階段，需獲得岔管零部件的詳細(xì)尺寸，傳統(tǒng)手段根據(jù)畫(huà)法幾何方法或者解析法，將岔管展開(kāi)與放樣的過(guò)程同樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力[3-4]。

針對(duì)上述問(wèn)題，根據(jù)岔管的空間特點(diǎn)，基于三維輔助設(shè)計(jì)及有限元軟件，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者與工程設(shè)計(jì)人員[5-7]提出了多種比較合理的設(shè)計(jì)方法，大大減少了設(shè)計(jì)工作量，提高了工作效率，但也存在一定的局限。楊勝平[5]采用Solidworks與CAD軟件對(duì)岔管進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先在Solidworks中進(jìn)行體型設(shè)計(jì)，再導(dǎo)入到CAD中進(jìn)行施工圖放樣，過(guò)程比較繁瑣。馬偉等[6]應(yīng)用UG軟件中基于模板的參數(shù)建模技術(shù)對(duì)月牙肋岔管進(jìn)行設(shè)計(jì)，但該軟件不便與有限元軟件進(jìn)行對(duì)接。韓曉鳳等[7]在CATIA中基于知識(shí)工程模板對(duì)月牙肋進(jìn)行了體型設(shè)計(jì)，并導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析，該方法是目前主流的設(shè)計(jì)手段，但其設(shè)計(jì)模板中的參數(shù)較多，不夠直觀。本文利用CATIA強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，將反映岔管體型的最主要特征，如主管直徑、支管直徑及分岔角等作為參數(shù)，鈍角區(qū)腰線折角、椎管腰線折角等其他控制條件，作為參考尺寸約束，建立標(biāo)準(zhǔn)模板，針對(duì)各個(gè)不同尺寸的岔管，通過(guò)改變標(biāo)準(zhǔn)模板中的參數(shù)，將參考尺寸約束控制在規(guī)范之內(nèi)，從而得到合理的岔管體型，CATIA在網(wǎng)格劃分、計(jì)算及后處理方面存在不足，因此，將模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析，最終完成岔管設(shè)計(jì)。

1 月牙肋岔管的參數(shù)化設(shè)計(jì)

月牙肋鋼岔管主要包含主、支管及月牙肋板等部分，其中主、支管可分為基本錐、過(guò)渡錐與圓柱管3個(gè)管段。根據(jù)具體情況，有些岔管可省去過(guò)渡錐，主、支管的基本錐共切于一個(gè)公切球，月牙肋作為支管相交后面積削弱部分的補(bǔ)強(qiáng)板，其外緣線一般為橢圓，向外超出管殼相貫線50～150 mm，以滿足管殼與肋板焊接的加工要求，其內(nèi)緣一般為拋物線。月牙肋岔管分為對(duì)稱Y型與非對(duì)稱Y型岔管兩類(lèi)，對(duì)于非對(duì)稱Y型岔管，在工程中卜型岔管最常見(jiàn)，本文在CATIA中建立對(duì)稱Y型與卜型兩種月牙肋岔管的標(biāo)準(zhǔn)模板。

1.1 對(duì)稱Y型岔管

相比卜型岔管，對(duì)稱Y型岔管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且參數(shù)較少，對(duì)稱Y型岔管的三維設(shè)計(jì)步驟如下。

(1)根據(jù)工程資料，在CATIA中建立岔管的二維草圖，坐標(biāo)原點(diǎn)定位在公切球的中心點(diǎn)，利用曲面設(shè)計(jì)模塊建立岔管的三維模型，生成各個(gè)椎管的曲面展開(kāi)圖。

(2)提取R0，R1，R2，A1，A2，β作為參數(shù)，將α1，α2，θ設(shè)置為參考約束尺寸，建立標(biāo)準(zhǔn)模板。

(3)對(duì)不同尺寸的岔管，通過(guò)不斷調(diào)整R0，A1，A2，β，使α1，α2，θ滿足規(guī)范要求，從而獲得合理的岔管體型圖，如圖1所示。

圖1 對(duì)稱Y型岔管平面

(4)在確定岔管體型后，將模型導(dǎo)出到有限元軟件ANSYS中進(jìn)行受力分析，其中包括設(shè)置材料屬性、劃分網(wǎng)格、施加約束等。該步驟主要是確定岔管的壁厚與月牙肋的形狀及厚度，若計(jì)算應(yīng)力超出材料的容許應(yīng)力，則重新調(diào)整體型與板厚，以得到合理的設(shè)計(jì)。

(5)在CATIA中將岔管三維圖與展開(kāi)圖導(dǎo)入到工程圖模塊，標(biāo)出展開(kāi)后的零件尺寸，以便工廠下料制作，如圖2所示。

圖2 對(duì)稱Y型岔管三維圖及展開(kāi)

其中，R0為公切球的半徑；R1，R2分別為主管與支管的半徑；A1，A2分別為到主管球原點(diǎn)及公切球原點(diǎn)到支管球原點(diǎn)的距離；β為分岔角；α1，α2分別為主錐管及支錐管的腰線折角；θ為鈍角區(qū)腰線折角，見(jiàn)圖1。

1.2 卜型岔管

卜型岔管的三維設(shè)計(jì)步驟與對(duì)稱Y型岔管一致，區(qū)別在于增加了參數(shù)及參考尺寸約束的數(shù)量，R0，R1，R2，R3，A1，A2，A3，β作為參數(shù)，將α1，α2，α3，θ設(shè)置為參考約束尺寸。參數(shù)及參考尺寸約束如圖3所示，岔管及三維展開(kāi)如圖4所示。

圖3 卜型岔管平面

圖4 卜型岔管三維圖及展開(kāi)

其中，R0為公切球的半徑；R1，R2，R3分別為主管與支管的半徑；A1，A2，A3分別為公切球原點(diǎn)到主管球原點(diǎn)及公切球原點(diǎn)到支管球原點(diǎn)的距離；β為分岔角；α1，α2，α3分別為主錐管及支錐管的腰線折角；θ為鈍角區(qū)腰線折角，見(jiàn)圖3。

上述方法都是按照岔管內(nèi)表面半徑進(jìn)行的體型設(shè)計(jì)，工廠放樣、下料時(shí)一般按板厚的中面展開(kāi)，因此需在實(shí)際工程中對(duì)某些參數(shù)略做調(diào)整，伍鶴皋等[8]對(duì)比進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

2 工程實(shí)例

某水電站進(jìn)水口壓力鋼管設(shè)計(jì)水頭520 m，采用對(duì)稱Y型岔管，主管直徑 3.0 m，支管直徑2.2 m，岔管與月牙肋材質(zhì)均為07MnCrMoVR，板厚分別為50 mm與100 mm，其余部位采用Q345R鋼材。在CATIA中利用本文建立的對(duì)稱Y型岔管的標(biāo)準(zhǔn)模板生成三維模型及平面展開(kāi)圖，將三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，材料假定為線彈性體，采用殼單元SHELL181模擬管節(jié)，實(shí)體單元SOLID185模擬肋板，管道末端施加固定約束。有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖5，岔管展開(kāi)見(jiàn)圖2，正常工況下的Mises應(yīng)力見(jiàn)圖6。

圖5 岔管有限元計(jì)算網(wǎng)格

圖6 岔管Mises應(yīng)力

在各個(gè)工況下，岔管的應(yīng)力與應(yīng)變均滿足設(shè)計(jì)要求，并且與實(shí)際受力情況基本符合，由此確定岔管壁厚及月牙肋尺寸。最后在工程圖模塊中生成岔管零件圖。進(jìn)行水壓試驗(yàn)下的內(nèi)力分析時(shí)，在CATIA模型中的直管段設(shè)置悶頭即可。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用CATIA軟件的建模優(yōu)勢(shì)，將岔管分為對(duì)稱Y型與卜型兩類(lèi)。通過(guò)簡(jiǎn)化參數(shù)與參考約束尺寸，分別建立了兩類(lèi)岔管的標(biāo)準(zhǔn)模板，生成了岔管的三維曲面模型及椎管的展開(kāi)圖，再將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行計(jì)算分析，確定岔管壁厚及月牙肋尺寸，最終獲得了合理的岔管設(shè)計(jì)。對(duì)不同尺寸的岔管，只需改變標(biāo)準(zhǔn)模板中的參數(shù)即可完成體型設(shè)計(jì)及其椎管的展開(kāi)圖，該方法簡(jiǎn)單、直觀，避免了重復(fù)性的建模工作，提高了設(shè)計(jì)精度與工作效率。同時(shí)，開(kāi)展三維協(xié)同設(shè)計(jì)有助于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低工程成本，是工程設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而建立岔管的三維模型是三維協(xié)同設(shè)計(jì)中必要的一環(huán)。本文應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了一種模型，還需要對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行更進(jìn)一步的對(duì)比分析，從而實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。