钢岔管三维有限元应力计算影响因素敏感性分析

2015-01-16新疆水利水电勘测设计研究院新疆乌鲁木齐830000

水利规划与设计 2015年3期

李伟（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000）

李伟
（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000）

钢岔管受力分析的准确性，对其能否安全稳定的运行，以及钢管后厂房的安全性起到了至关重要的作用。在进行钢岔管三维有限元分析之前，通过控制每个单一因素变化对岔管应力影响的程度，从而找到最合适控制因素确定各个影响因素对计算结果的影响程度，为后续钢岔管有限元计算结果提供合理的控制依据。

钢岔管应力；敏感性分析

1 前言

本水电站工程钢岔管采用Revit三维程序进行建模，通过ABAQUS有限元软件进行模型的处理，以及计算工况的拟定控制。本工程岔管有限元计算敏感性分析是在确定因素不变的情况下，分析三维有限元应力计算模型网格划分大小、主支管边界长度单一因素的变化，对三维有限元应力计算结果影响的变化规律。本文研究的结果对于钢岔管的结构设计及衬砌型式具有参考价值。

2 工程简介

新疆某水电站工程为大（2）型Ⅱ等工程，主要由大坝、溢洪道、导流兼泄洪冲沙洞、发电引水系统等主要建筑物组成。

引水系统采用一洞三机联合供水的布置型式，电站共三台机组。钢岔管段主管直径2.6m，1#支管直径2.1m，2#支管直径1.4m。设计内水压力（加水锤压力）7.5MP a。1#岔管采用800MP a级钢材，管壁厚度为46m m，肋板厚度为100m m，肋宽比为0.35，肋板腰部外伸宽度为150m m。钢岔管平面模型详见图1。

3 取值及计算结果影响因素分析

3.1 允许应力取值依据

钢岔管构件的允许应力值严格按照《水电站压力钢管设计规范》（SL 281-2003）中表7.2.2执行，详见表1。岔管计算时依据岔管不同部位的应力区域进行取值，根据计算工况分别进行校核分析。

3.2 强度条件计算依据

空间结构计算严格按照《水电站压力钢管设计规范》（SL 281-2003）中式6.1.3—2规定执行，即按照第四强度理论计算的等效应力小于等于允许应力与焊缝系数的乘积如式（1），本岔管计算焊缝系数φ取0.9。

图1 某水电站工程钢岔管平面模型

3.3 边界长度对计算结果影响分析

通过改变主管、支管边界长度分析对肋板应力的影响程度。拟定不变因素有:网格最大间距、并行处理器个数为4个C P U、荷载、材料参数、边界约束条件、单元类型。拟定变化因素:主管及支管边界长度分别取1倍管径、2倍管径、3倍管径、5倍管径、10倍管径。通过5组主管及支管边界长度变化，分析肋板应力最终趋向值，其应力云图详见图2，应力单位（pa）。5组边界长度计算肋板中点的Mi s e s应力值详见表2，

除了龙王庙，笔者认为，船厂附近还应有衙署、军营、驿站、工棚、库房、工匠住宅、码头等设施，当然这些不可能全是刘清所建。因为刘清第一次来到船厂时，船厂已经建立整整十年了，基础设施和军政建制应该完善了，刘清对此大多是进行修缮和增扩建。

根据对图2中5组肋板中点应力值归纳。边界长度取1倍管径、2倍管径、3倍管径、5倍管径、10倍管径，对应肋板中点应力值分别为291.3Mpa、301.7Mpa、304.4Mpa、310.2Mpa、308.1Mpa。改变主管、支管边界长度这个单一因素，当边界长度逐渐增大，对肋板中面中点的应力影响不是特别明显。

3.4 网格划分密度对计算结果影响分析

通过ABAQUS软件Mesh模块中控制网格数目，即改变网格的最大间距，分析肋板网格对肋板应力的影响程度。拟定不变因素有:主支管边界长度、并行处理器个数为4个 C P U、荷载、材料参数、边界约束条件、单元类型。拟定变化因素:划分网格间距分别取1.0m、0.5m、0.25m、0.125m、0.0625m、0.03125m。在计算过程中，为了能够更清楚的反映网格大小对肋板应力的影响，加密两组数据，即在0.0625m～0.03125m之间加密一组数据，0.03125m之后增加一组数据0.02m。其肋板应力云图详见图3，应力单位（pa），8组网格划分大小肋板中点的Mises应力值详见表2。

根据对图3中8组肋板中点应力值归纳。改变网格划分大小这个单一因素，来确定网格划分大小对肋板应力的影响程度。当网格划分大小不断加密后，肋板的应力由233.9MP a逐渐向306.7MP a趋近。在网格间距为0.25m时，肋板中面中点的应力为界限值，继续加密网格后，肋板的应力值变化不明显，并趋于平缓。

4 三维有限元计算成果敏感性分析及结论

4.1 敏感性分析

根据以上边界条件、网格划分密度对三维有限元计算敏感性分析计算结果，其敏感性分析计算成果详见表2，并对计算数据绘制了应力-网格边界长度关系曲线图，以便查看影响因素对钢岔管的应力应变影响规律，详见图4。

图2 岔管、肋板应力云图

图3 网格密度影响分析肋板应力云图

表2 敏感性分析计算成果表

图4 应力-网格边界长度关系曲线图

4.2 敏感性分析结论

根据敏感性分析计算成果表、应力-网格边界长度关系曲线图分析，通过改变主管及支管边界长度这个单一因素，来分析边界长度对肋板应力的影响程度。当边界长度从1倍管径加长到2倍管径、3倍管径、5倍管径、10倍管径后，其岔管肋板中面中点的应力值应力差异分别为:3.45%、0.89%、1.87%、0.68%，由此分析得出肋板中点的应力值随着边界长度的逐渐增加变化不明显。从以上计算成果的分析，结合圣维南定理以及计算过程效率，最终确定本水电站工程岔管三维有限元计算，选用自锥管末端起始3倍管径的边界长度条件作为模型计算边界，其三维有限元计算的应力结果满足材料的允许应力，满足规程规范的要求是合适的。

通过改变肋板网格划分密度这个单一因素，来确定网格大小对肋板应力的影响程度。当网格间距大小从 1m 变化到 0.5m、0.25m、0.125m、0.0625m、0.04688m、0.03125、0.02m时，其肋板中面中点的应力差异分别为:13.02%、9.2%、2.8%、0.62%、0.0653%、0.0652%。从以上计算成果分析，随着网格的逐渐加密，其肋板的应力值变化逐渐减小。当网格加密到0.0625m后，再加密网格其肋板应力值变化不明显，从应力-网格边界长度关系曲线图也反映出其应力曲线逐渐趋于平缓。最终根据肋板应力值的变化规律，当肋板网格大小不断加密，其肋板网格的长、宽比逐渐趋于一致、肋板内外侧曲线逐渐光滑平顺。由此确定主管管径为2.6m时，三维有限元计算模型网格间距取0.125m，其计算结果应力值比较合理。

综合以上敏感性分析计算成果，最终确定了新疆某水电站工程岔管的设计参数和体型。