无梁岔管知识工程三维设计方法研究与应用

韩晓凤，张 伟，文 强

(1.中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，广西 南宁 530023;2.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004;3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁 530004)

0 引言

岔管是压力钢管集中供水和分组供水中的关键建筑物，由于体形和结构复杂，其安全性和经济性受到工程研究人员的普遍关注，目前相关研究主要集中在结构承载安全性［1-2］、水力学特性［3-4］、设计分析理论［5-6］和新型岔管研制［7］等方面。同时，随着近年来三维设计技术在水电行业中的广泛应用，设计理念和方法相应地发生了变革，岔管三维设计研究也受到重视［8-9］，特别是能使知识在设计中得到延续和再利用的知识工程模板化方法［10］，进一步提高了三维设计的智能化水平［11］。

无梁岔管是一种形体优美、耗材经济的岔管形式，在体形上采用多节过渡锥管以及顶部和底部的局部球壳片，使管节相接处腰线转角以及分岔相贯处均过渡得较为平顺，不需要加设厚重的加强构件，壳体主要承受膜应力，能较好地发挥材料的作用，比梁式岔管有显著的优势。文献［12］提出的无球壳片的异形无梁岔管结构，用锥壳片替代了无梁岔管顶部和底部的局部球壳片，在云南柴石滩、西洱河二级、新疆喀什河二级、青海桥头镇等电站得到了成功应用［13-14］。无梁岔管多层锥壳片逐渐过渡的体形特点增加了空间几何关系的复杂程度，带来了设计时需要多次试算与调整的问题［15］，使得岔管设计过程繁琐、重复工作量大，并在多个环节需要结合专家经验进行判断与调整。因此，为避免设计师不必要的重复劳动，开展无梁岔管快速三维参数化设计，并将设计规则和经验融入模板，实现岔管的知识工程三维设计是非常必要的。

本文构建了无梁岔管三维知识工程设计的知识模型，给出了总体规划、知识收集与引导、变量定义与识别、设计模板、方案设计、加工制作设计等关键环节的实现方法，系统提出了无梁岔管知识工程设计方法，并将该方法应用于老挝某大型岔管设计中。

1 设计方法的知识模型和实现流程

1.1 知识模型

无梁岔管知识工程设计方法集成了设计和制作知识、岔管设计需求参数、加工制作需求参数，理清了设计和加工制作信息的传递关系，形成岔管三维参数化设计模板、展开图与放样点坐标表自动生成模块如图1所示。无梁岔管设计和制作知识包括规则知识、案例知识和模型知识［16］。规则知识是设计规范对岔管的具体要求，包括水力学、布置、结构安全、加工制作要求等，表现为具体设计参数的范围约束要求，以及设计参数与输入参数存在的函数关系等;案例知识是根据以往工程案例设计积累所得到的知识，包括岔管体形、结构尺寸经验规律、加工制作方法等;模型知识是对岔管模型进行分析所需要的知识，包括岔管空间几何、结构、水力学稳定性分析等。

1.2 实现流程

为实现无梁岔管知识模型的三维设计，需要有阶段清晰、目的明确的实现步骤，如图2所示。其中，前6个步骤用于形成无梁岔管三维参数化设计模板，后2个步骤为设计应用内容。

2 无梁岔管知识工程设计的实现

2.1 总体规划

平台选用。无梁岔管设计需要涉及材料、几何、力学参数及条件，并进行空间几何、结构、水力学分析等，可以结合现有三维设计平台开展设计。本文在CATIA平台上，利用知识工程原理制作无梁岔管通用模板，并利用该平台的CAA技术二次开发展开图与放样点坐标自动生成模块。

图1 无梁岔管设计的知识模型

图2 无梁岔管知识工程设计方法的实现流程

图3 无梁岔管管节构成示意

功能要求。提供通用无梁岔管知识工程设计方法，通过输入基本参数即能直接获得相适应的设计方案和图纸。当设计方案不能满足各种约束条件时，将给出相应的警告信息。

2.2 知识收集与引导

设计规范收集与对比分析。收集了涉及无梁岔管体型、水力学和加工制作要求相关的中国、美国、日本、欧盟设计规范［17-24］，只有中国水电站压力钢管设计规范［17，18］对无梁岔管有明确的设计要求和计算分析方法，本文选用其作为主要依据。

知识引导。无梁岔管结构计算主要采用简化分析法、直接查表法和有限元分析法，本方法结合规范简化分析获得初步方案，进而采用通用有限元软件ANSYS进行结构分析及方案优化。

2.3 变量定义与识别

无梁岔管管节的名称沿水流向依次为主管过渡锥、主管主锥、主管锥壳片、顶板锥壳或球壳片、支管锥壳片、支管主锥、支管过渡锥，含有两层锥壳片的无梁岔管如图3所示。要实现基于知识工程的无梁岔管三维设计，定义和识别变量是非常关键的工作，包括对空间几何参数、结构尺寸参数等变量进行定义与分类;识别出主要变量，确定主要变量的函数关系;理清输入和输出变量间的逻辑关系。

无梁岔管设计过程涉及如表1所示的多个存在逻辑和函数关系的变量，包括基本输入变量、用户输入变量和输出设计变量。图4给出了相应于图3无梁岔管的管节几何关系示意。

2.4 设计模板

2.4.1 岔管几何形体生成

图4 无梁岔管管节几何关系

表1 无梁岔管三维设计的主要变量及其关系

生成岔管几何形体前必须进行草图绘制，以主管轴线平面内的最大公切球球心为原点，绘制各锥管轴线、母线、公切球等，设置相切、相合、平行、长度、角度等约束条件，根据各锥管相贯的空间几何关系确定相贯线投影，形成草图。在草图基础上，将各个母线沿相应轴线旋转形成锥体，用相贯线投影面切割相应的锥体，生成由各节锥管组合而成的岔管几何体。

2.4.2 岔管参数化设计模板形成

定义表1中的基本输入参数和用户输入参数，并建立输入参数和草图约束之间的驱动关系，形成参数化的无梁岔管三维模型。对建好的模型进行用户特征定义，确认模板的逻辑关系正确后，发布输入参数，生成无梁岔管的模板，如图5所示。为方便用户使用模板，通过设定规则判定用户输入参数的合理性，当不满足要求时将给出提示。

图5 无梁岔管参数化设计模板

2.4.3 施工详图绘制

无梁岔管施工详图主要包括岔管三维几何形体图、平面布置图、管节展开图和工程量统计表。

通过应用设计模板得到岔管设计方案后，考虑岔管应力分布、加工制造条件、钢板规格、焊缝位置和间距规则等方面的要求，在三维模型上布置焊缝，进而得到岔管三维几何形体图，将该形体图投影到水平面上生成平面布置图。

岔管展开图和工程量统计表是加工制作的依据。将岔管三维几何形体的各管节展开后，基于CAA技术，使用C++程序语言二次开发了包括展开图放样点自动读取和列表、工程量自动统计和列表功能。

3 工程应用

老挝某水电站引水系统采用“一管三机”布置形式和无梁岔管结构形式，主管内径8.2 m，3个支管内径均为4.5 m，岔管设计水头为121 m。岔管外包厚约1.5 m的混凝土，按明岔管设计。管材采用Q390C钢，屈服强度σs=350 MPa，抗拉强度σb=490 MPa，弹性模量 E=206 000 MPa，泊松比μ=0.3。

采用本文无梁岔管知识工程设计方法确定的岔管平面几何尺寸如图6所示，其体形参数见表2，根据设计规范［18］估算岔管壁厚为36 mm。将设计方案的三维模型直接导入有限元软件ANSYS进行应力复核，采用Shell181单元离散岔管，单元和结点数分别为5 020、5 078个。根据水压试验工况应力复核结果，将岔管管壁厚度增至38 mm，管道外壁Mises应力分布如图7所示，最大计算应力与规范限值见表3，满足强度安全要求。考虑2 mm的壁厚裕量，壁厚最终采用40 mm。

表2 岔管体形参数

表3 岔管最大Mises应力及限值MPa

图6 老挝某无梁岔管几何尺寸(单位:mm)

图7 管道外壁Mises应力分布

在岔管三维模型上直观地进行焊缝设计，确定出每个管节的纵缝位置，将管节分割成为31块瓦片，三维几何形体、平面布置及阴影部分所示典型管节的展开图和放样点坐标如图8所示，工程量自动统计本岔管净质量约为120 t。该岔管已安装完毕，并进行了现场水压试验，试验结果与本文分析结果基本一致，论证了该岔管结构是安全可靠的。

图8 岔管三维模型示意(单位:mm)

4 结论

本文系统地提出了无梁岔管知识工程的三维设计方法，以CATIA平台上开发的设计模板为核心，辅以CAA二次开发的工具实现了无梁岔管体形优化、结构分析和施工详图绘制的一体化设计，使得无梁岔管这种复杂的设计变得简单易行，并推动这种经济的岔管形式普及化。该方法已在实际工程中得到了成功应用，建立的无梁岔管知识工程设计模板和扩展的岔管展开图模块，可作为工具供设计人员调用，能很大程度地提高无梁岔管设计的直观性、高效性和准确性。

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