Catia软件对岔管线弹性的有限元计算及分析

闵 毅，毕晨曦

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 研究背景

近年来，随着长距离输水工程的全面铺开建设，钢管设计也随之变得尤为重要，岔管做为钢制管件的重要组成部分，对其的计算研究一直是设计者们关注的重点。通过有限元软件对岔管进行计算分析是目前最主要的手段。

Ansys做为一款成熟的有限元分析软件，成为了大多数设计者的首选。田静[1]等利用Ansys软件对月牙肋岔管进行了有限元计算分析；李春永[2]将钢衬钢筋混凝土岔管做为论文的研究对象利用Ansys软件进行了深入的计算分析。而Ansys在建模过程中花费时间较长，特别是对于复杂模型，往往需要几天才能完成。相比之下，Catia软件的功能非常强大，包含有70多个工作台，几乎涉及到设计用的所有方面[3，4]，其具有建模时间短，参数化功能强大，操作便捷等优点，极大地提高了设计人员的工作效率，但对于其在有限元计算上所得的结果，在水利行业内还未被广泛接纳，因此本文利用Catia软件针对岔管做了有限元计算分析，并得出了相应结论。

2 Catia与Ansys有限元分析软件的计算对比

钢制三通是长距离输水管线中的重要组成部分，可以归为型式简单的岔管，尤其在泵站工程中应用最多。三通结构看似简单，但受力计算却极为复杂，因此钢制三通壁厚的选取就显得尤为重要了，而有限元计算就成为了三通结构计算的重要手段。本章节分别利用Ansys、Catia软件对同一DN800×dn800的等径三通模型进行计算，将二者的计算结果进行比较，并得出了相应结论。

2.1 有限元模型的建立

钢制三通的参数见表1：

表1 钢制三通参数表

分别利用Ansys17.0软件[5]、CatiaV5R20软件，根据表1钢制三通的实际参数建立有限元模型，其各自的单元类型、网格划分、网格尺寸及约束参数见表2，三维模型见图1、图2。

表2 单元类型及网格划分参数表

图1 Ansys17.0有限元三通模型

图2 CatiaV5R20有限元三通模型

2.2 结果对比与分析

分别利用两款软件的计算模块对三通模型进行计算，所得结果见表3，应力、应变云图见图3～图6。

表3 应力应变计算结果比较

图3 Ansys17.0三通模型应力云图

图4 CatiaV5R20三通模型应力云图

图5 Ansys17.0三通模型应变云图

图6 CatiaV5R20三通模型应变云图

从计算的应力应变云图中可以看出，Ansys、Catia软件计算的最大应力分别为123.7 MPa、117.8 MPa，最大应力值相差5.8 MPa；最大应变分别为0.675 mm、0.607 mm，最大应变值相差0.068 mm；且二者最大应力值都发生在钢制三通主管与支管相交的管内部位，最大应变值都发生在钢制三通主管与支管结合处的顶、底部。

通过对比可以发现，Ansys与Catia软件的计算结果基本一致，且误差很小，应力应变分布位置也基本相同，因此证明了针对钢管线弹性有限元分析，利用Catia软件进行计算分析是可行的，且结果也具有较高的准确性。Catia软件操作便捷、模型参数化等特点极大地提高了工作效率，方便了设计者的日常应用。

3 岔管模型的计算分析

岔管是主管线分流的核心组成部件，也可以说是整个管线工程的核心，“Y”型岔管、卜型岔管是管线中最常见的岔管类型，对于岔管结构的计算分析历来都是管线设计工作的重中之重，一旦岔管在工程运行中出现问题，将给整个工程带来巨大的损失。本节将针对“Y”型岔管，利用Catia软件进行建模与计算分析。

3.1 有限元模型的建立

以延安黄河引水工程新舍谷五级泵站中的“Y”型岔管为例，利用Catia软件对其进行建模、计算与分析。岔管壁厚16 mm，计算壁厚14 mm，计算内水压力1.0 MPa，岔管材质采用Q235C。

“Y”型岔管的结构参数见表4，三维模型见图7。

表4 “Y”型岔管结构参数表

图7 “Y”型岔管三维模型

3.2 计算与分析

利用Catia软件对“Y”型岔管进行计算，所得应力、应变云图见图8～图9。

图8 “Y”型岔管应力云图

图9 “Y”型岔管应变云图

从计算云图可以看出，“Y”型岔管的最大应力值为93.9MPa，且小于0.8σs[6]，发生在两支管与U型梁相交的管内部中腰部位；最大应变值为0.628 mm，发生在两支管顶、底部。经计算分析，“Y”型岔管的计算极值小于容许值，应力应变分布符合一般规律，证明岔管的壁厚、U型梁、腰梁及连接柱选型合理，设计满足规范要求。

通过利用Catia软件对“Y”型岔管进行有限元计算分析，更进一步证明了其有限元计算功能对于线弹性模型的分析计算具有较高的准确性。

4 结语

从建模过程来讲，Catia相比于Ansys更加简便快捷，特别是其参数化功能更加强大，在需要调整模型结构时，修改模型中相应标注即可完成，大大缩短了工作时间，避免了二次建模的繁琐步骤，为设计人员提供了更便捷的操作平台。

从有限元计算方面来看，Catia与Ansys对同一模型的计算结果基本一致，即在岔管线弹性有限元分析方面，利用Catia软件进行有限元计算分析是可行的。针对延安黄河引水工程新舍谷五级泵站中的“Y”型岔管，Catia软件有限元计算的结果也具有较高的准确性，为设计提供了有效可靠的技术支撑，也为以后的工程设计提供了依据。