埋藏式月牙肋岔管輔助設計系統開發與應用

申顯柱，李水生，鮑 偉，張 凱

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

在水利水電工程中，月牙肋岔管具有受力明確合理、設計方便、水流流態好、水頭損失小、結構可靠、制作安裝容易等優點，故被廣泛采用。月牙肋岔管傳統的設計流程：①結合主支管參數，依據規范及設計經驗采用AutoCAD初擬月牙肋岔管體型參數；②采用Excel表格按照結構力學的方法進行結構計算驗證；③根據計算結果調整體型后再進行結構計算，直至體型設計及結構計算均滿足要求；④對于重要的工程尚需有限元法進行計算分析；⑤最后采用AutoCAD繪制二維圖和采用Word編寫結構計算書。

實踐表明，因為月牙肋岔管結構較復雜，傳統設計過程以人工為主，設計過程時間長、易出錯、步驟多、內容繁瑣，所以體型參數設計、結構計算分析和二維施工圖繪制一直是設計工作中最耗工時的。雖然結構設計、有限元計算等有相關的計算軟件，但是整體設計的自動化程度不高，反復計算和調整體型的工作量很大；工程制圖也是使用AutoCAD人工繪制，然后人工編寫結構計算書。

本文提供了一種基于Catia-V5三維軟件設計平臺的埋藏式月牙肋岔管體型設計、結構計算、編寫計算書、工程制圖等全過程輔助設計系統，能快速、自動化和規范化的完成月牙肋岔管設計工作，從而提高了生產效率和設計質量，且降低了月牙肋岔管的設計難度。月牙肋岔管結構計算編程及自動編寫計算書功能主要依托Visual Basic6.0軟件，參數化三維模板制作及二維圖繪制功能主要依托Catia-V5軟件，圍巖和岔管聯合承載有限元計算方法功能主要依托Ansys和Hypermesh等軟件進行開發。月牙肋岔管結構型式有對稱Y形岔管和非對稱Y形岔管，因篇幅有限，僅針對對稱Y形岔管并考慮鋼管與回填混凝土之間脫空情況進行闡述。月牙肋岔管設計技術路線流程如圖1所示。

1 結構計算編程及自動編寫計算書

1.1 編程依據及計算內容

按結構力學法，以SL 281—2003《水電站壓力銅管設計規范》[1]為依據，利用VB6.0語言進行編程，實現月牙肋岔管選材、體型設計、結構計算及自動編寫標準化計算書的功能，并包含岔管結構計算程序結果與Catia-V5三維模板的鏈接功能。

1.2 界面設計及成果展示

(1)首先必須按照預先給定的用戶名及密碼登錄軟件界面，如圖2所示，確保了軟件的安全性。

(2)然后進入到具體的岔管幾何參數輸入界面，依次點擊左邊計算樹中的各模塊，如圖3所示，體型參數輸入→物理參數輸入→工況荷載輸入→應力計算參數→結構應力計算。

圖3 計算參數輸入界面

(3)最后點擊“結果輸出”可以進入到計算結果輸出界面，本軟件提供了兩種結果輸出方式，一種是以Word算稿的型式進行輸出，如圖4所示，另外一種是以三維軟件Catia-V5的型式輸出三維空間結構，如圖5所示。

圖4 Word格式文件輸出界面

圖5 Catia三維格式文件輸出界面

綜上所述，月牙肋岔管程序計算軟件可以方便地實現結構計算，并且還可以生成相應的標準化計算書和Catia-V5的三維初步模型，和傳統的Excel表格計算和人工編寫Word計算書相比較，不僅降低了表格計算的錯誤率，而且減少了計算書編寫中的許多重復工作，從而有效地提高了工作效率。

2 參數化三維模板制作及二維圖繪制

2.1 主要研究目的及內容

2.1.1研究目的

基于Catia-V5創建滿足設計要求的參數化模板，并與牙肋岔管結構計算編程模塊成果自動鏈接和更新，再通過局部調整其他參數，最后形成三維效果圖展示、繪制二維圖和計算工程量，同時也將Catia-V5結構模型導入Ansys中完成網格劃分工作。

2.1.2模板制作內容

月牙肋岔管三維模板制作以約束造型為核心，以尺寸驅動為特征，實現參數化、標準化及模板化設計，包括體形設計和管節展開。模板文件分別為有限元計算模型和管節展開模型。

2.1.3模板制作思路

(1)利用Catia-V5的參數化設計和知識工程功能，建模時將相關的設計參數提取出來，放在模型樹中，定義參數名稱以便參數化設計，只要更改模型樹中的參數，就可以很容易地更新模型。(2)將規范中的限制性條件寫成規則，由軟件自動判斷岔管的體型參數是否滿足規范要求。(3)利用Catia-V5工程制圖模塊快速將岔管管節展開圖投影生成平面線框圖，以方便岔管施工圖繪制。

2.2 三維模板制作及成果展示

月牙肋岔管模板建模過程：規劃岔管的結構分解→參數規劃→草圖繪制→三錐體中間面建模→肋板中間面建模→生成實體模型→有限元模型→出圖模型→知識工程。

主要成果有三錐體的曲面(鋼管中間面)如圖6所示，三維模型如圖7所示，二維圖如圖8所示。

圖6 對稱月牙肋岔管三錐體曲面

圖7 對稱月牙肋岔管三維模型圖

圖8 對稱月牙肋岔管二維圖

綜上所述，采用傳統設計方法進行月牙肋岔管設計時，體型設計幾乎都采用數解法，即通過已經定型的公式來計算岔管各點坐標、參數等，從而最后繪出岔管幾何體型。但利用Catia-V5軟件的參數化建模技術進行月牙肋岔管設計，具有準確、快速、直觀、修改方便等優點，減少了設計者工作量和人為計算誤差，提高了設計效率和質量。

3 圍巖和岔管聯合承載有限元計算方法

3.1 研究目的及計算原則

3.1.1研究目的

由Catia-V5參數化模板生成有限元模型后，利用Ansys等軟件進行有限元分析計算，掌握圍巖和岔管聯合承載有限元計算理論及方法。

3.1.2計算原則

以有限元計算軟件Ansys作為主要平臺，輔以Hypermesh軟件進行相關處理。考慮圍巖分擔內水壓力，考慮鋼管與回填混凝土之間脫空。計算過程中岔管管壁基于薄壁理論假設采用殼單元進行模擬，圍巖作用采用彈性抗力系數來簡化計算，圍巖與管壁之間相互作用采用接觸單元進行模擬。

3.2 圍巖和岔管聯合承載有限元計算方法

3.2.1埋藏式月牙肋岔管的模擬方法

當需要考慮鋼襯與回填混凝土之間脫空時，裂縫的寬度和管道直徑在尺寸上的巨大量級差異給有限元計算帶來了困難。針對地下埋管計算中山體網格劃分工作量大的問題，經過研究使用殼單元和點對點接觸單元的方法來模擬地下埋管的方法。這種簡化方式避免了對山體的網格劃分，提高了計算效率。原理簡圖如圖9所示，接觸單元的受力特性曲線如圖10所示。

圖9 混凝土與岔管接觸單元示意圖

圖10 接觸單元應力應變關系

第一步：利用前處理軟件Hypermesh劃分岔管本身網格，將其導入Ansys軟件。第二步：施加邊界條件(最外邊使用全約束邊界)。第三步：利用提供的APDL代碼施加圍巖邊界條件，并進行計算。

3.2.2邊界條件及有限元網格劃分相關要求

計算范圍選取原則：模型的截斷邊界要求距離岔管不少于一倍的公切球直徑，靠近岔管(管徑范圍內)管節要求模擬其體型。遠離岔管核心區域的鋼管端部采用全約束邊界條件。

網格劃分：岔管的有限元網格劃分通常分為兩個部分，一部分為月牙肋的網格，另一部分為岔管主體的網格劃分。鋼管相對較薄，在有限元計算中使用殼單元來模擬；肋板相對較厚，且肋板對平面外應力有一定要求，在計算過程中使用實體單元進行模擬。由于模型中同時存在殼單元和實體單元，在設置單元大小時候應滿足殼單元的薄殼假設，盡量避免剪切自鎖現象。肋板基本不承平面外受彎矩作用，并且考慮到網格質量問題，在網格劃分過程中為避免肋板單元長寬比失衡，在厚度方向僅布置一層單元。管壁網格示意圖如圖11所示。

圖11 管壁網格示意圖

圍巖約束條件：圍巖約束條件采用圍巖彈性抗力系數來模擬。每個節點上對應的接觸剛度為k=f×A，f為圍巖彈性抗力系數；A為節點的特征面積。由于有限元網格在離散過程中不能保證每個節點代表的面積完全相同，且各個接觸單元方向不同，圍巖約束條件手動施加實現難度較大。實施過程中使用Ansys的內部APDL編程語言進行編程實現圍巖約束條件的施加。

綜上所述，隨著國內水電事業的發展，壓力鋼管HD值越來越大，如何減小鋼板厚度，降低制造安裝難度，已經成為了比較突出的問題。除了優化岔管體型及提高鋼材強度之外，對于地下埋管來說，合理利用圍巖的承載能力也是一個重要的措施，本節內容針對埋藏式月牙肋岔管的有限元計算分析方法進行了說明，以期為設計人員提供參考。

4 工程實例

4.1 結構計算

(1)基本情況

結合石埡子水電站[2]埋藏式月牙肋岔管進行實例驗證，鋼管由直徑為5.7m的主管經對稱Y形月牙肋岔管后分岔為兩條直徑3.9m的支管，管外回填C20素混凝土。原設計過程中，岔管處鋼管承擔140.0m內壓，綜合考慮各方面因素，假設圍巖分擔35.36m內壓，圍巖分擔率20.16%。鋼材采用Q345R，外水壓力30m。

(2)計算結果

岔管結構分岔角65°，管壁計算厚度30mm，肋板厚度68mm，主管半徑2866mm，支管半徑1966mm。公切球半徑3150mm，支管腰線轉角15°，主管腰線轉角10°。加勁環尺寸采用130×22mm，間距為1000mm。

采用本文結構計算編程軟件，計算成果及結論：管壁膜應力151.02MPa，主錐與支岔錐連接處的邊緣應力207.69MPa，主錐與主管連接處的邊緣應力239.03MPa，支岔錐與支管連接處的邊緣應力203.71MPa，肋板正應力96.87MPa，剪應力64.24MPa，第一主應力128.88MPa，第二主應力-32.02MPa，強度及應力校核滿足要求。加勁環管壁間臨界外壓為6.96MPa，加勁環的穩定臨界外壓為1.88MPa，鋼管外壓穩定計算和抗外壓強度計算均滿足設計要求。計算成果與原設計過程應力值相差約5%左右，精度滿足要求。

4.2 三維設計及二維圖

輸入參數生成三維、二維模型如圖12—13所示。

圖12 三維模型展示圖

圖13 二維圖

通過對岔管的結構平面圖、肋板立面圖、主岔管展開圖、支岔管展開圖等施工圖與模型投圖對比，吻合度很好。肋板立面圖施工圖與模型投圖對比如圖14所示，圖片中紅色線條為實際施工圖，黑色線條為三維模型投圖，完全相同。

圖14 肋板施工圖與模型投圖對比

4.3 有限元計算

結合石埡子水電站岔管實際情況，驗證岔管應力以及圍巖分擔等情況的計算精度。岔管位于II類圍巖中，彈性抗力系數75MPa/cm，回填混凝土與鋼襯的脫空按1.14mm(縫隙計算中的最終總縫隙取值)考慮，內水壓力175.36m。有限元計算應力如圖15所示。

圖15 Ansys平臺計算結果

計算結果分析，①特征點最大應力129.28MPa，肋板最大應力94MPa，在考慮1.14mm的脫空后岔管應力為明管應力的60%左右。②原算稿中圍巖分擔比例明顯要低于有限元計算結果，因此可以通過有限元計算分析為岔管設計過程中圍巖分擔比例的選擇提供依據，結合實際情況確定合理的圍巖分擔比，降低岔管現場制作安裝的難度和節省投資。③在考慮脫空情況下，石埡子水電站岔管的最大應力為130MPa，計算結果與傳統算稿基本一致，計算精度滿足工程需求。

5 結語

埋藏式月牙肋岔管輔助設計系統是基于Catia-V5軟件平臺及應用較成熟的VB6.0和Ansys等商業軟件開發的，其研究成果內容豐富、齊全，各功能模塊可視化程度較高，簡單明了，易懂易學，計人員輸入初始參數后，計算機就能自動完成設計工作。這個設計系統的開發不僅極大地提高了埋藏式月牙肋岔管的生產效率和產品質量，而且降低了岔管設計技術難度，具有推廣應用價值，供讀者借鑒。