CATIA在月牙肋钢岔管三维参数化设计中的应用

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

月牙肋岔管是由三梁式岔管不断演变、改进而来的一种岔管型式，因其具有结构受力好、管内水流平顺、水头损失小等优点，是目前国内外水利水电工程中应用较多的一种岔管型式[1]。月牙肋岔管体型与受力状态比较复杂，传统的设计方法是根据规范不断调整岔管体型参数，获得合理的体型，再按照解析法将空间结构简化为平面问题进行受力分析[2]，若受力不满足要求，则再对体型与板厚进行修改，直到体型与受力均满足要求。不论是体型设计还是受力分析，工作量都非常大，特别在工程可研与初设阶段进行多种方案比较时，传统方法的劣势就非常明显。此外，在施工详图设计或者工厂制作阶段，需获得岔管零部件的详细尺寸，传统手段根据画法几何方法或者解析法，将岔管展开与放样的过程同样费时费力[3-4]。

针对上述问题，根据岔管的空间特点，基于三维辅助设计及有限元软件，国内许多学者与工程设计人员[5-7]提出了多种比较合理的设计方法，大大减少了设计工作量，提高了工作效率，但也存在一定的局限。杨胜平[5]采用Solidworks与CAD软件对岔管进行设计，首先在Solidworks中进行体型设计，再导入到CAD中进行施工图放样，过程比较繁琐。马伟等[6]应用UG软件中基于模板的参数建模技术对月牙肋岔管进行设计，但该软件不便与有限元软件进行对接。韩晓凤等[7]在CATIA中基于知识工程模板对月牙肋进行了体型设计，并导入ANSYS进行有限元分析，该方法是目前主流的设计手段，但其设计模板中的参数较多，不够直观。本文利用CATIA强大的参数化设计功能，将反映岔管体型的最主要特征，如主管直径、支管直径及分岔角等作为参数，钝角区腰线折角、椎管腰线折角等其他控制条件，作为参考尺寸约束，建立标准模板，针对各个不同尺寸的岔管，通过改变标准模板中的参数，将参考尺寸约束控制在规范之内，从而得到合理的岔管体型，CATIA在网格划分、计算及后处理方面存在不足，因此，将模型导入ANSYS进行计算分析，最终完成岔管设计。

1 月牙肋岔管的参数化设计

月牙肋钢岔管主要包含主、支管及月牙肋板等部分，其中主、支管可分为基本锥、过渡锥与圆柱管3个管段。根据具体情况，有些岔管可省去过渡锥，主、支管的基本锥共切于一个公切球，月牙肋作为支管相交后面积削弱部分的补强板，其外缘线一般为椭圆，向外超出管壳相贯线50～150 mm，以满足管壳与肋板焊接的加工要求，其内缘一般为抛物线。月牙肋岔管分为对称Y型与非对称Y型岔管两类，对于非对称Y型岔管，在工程中卜型岔管最常见，本文在CATIA中建立对称Y型与卜型两种月牙肋岔管的标准模板。

1.1 对称Y型岔管

相比卜型岔管，对称Y型岔管结构简单且参数较少，对称Y型岔管的三维设计步骤如下。

(1)根据工程资料，在CATIA中建立岔管的二维草图，坐标原点定位在公切球的中心点，利用曲面设计模块建立岔管的三维模型，生成各个椎管的曲面展开图。

(2)提取R0，R1，R2，A1，A2，β作为参数，将α1，α2，θ设置为参考约束尺寸，建立标准模板。

(3)对不同尺寸的岔管，通过不断调整R0，A1，A2，β，使α1，α2，θ满足规范要求，从而获得合理的岔管体型图，如图1所示。

图1 对称Y型岔管平面

(4)在确定岔管体型后，将模型导出到有限元软件ANSYS中进行受力分析，其中包括设置材料属性、划分网格、施加约束等。该步骤主要是确定岔管的壁厚与月牙肋的形状及厚度，若计算应力超出材料的容许应力，则重新调整体型与板厚，以得到合理的设计。

(5)在CATIA中将岔管三维图与展开图导入到工程图模块，标出展开后的零件尺寸，以便工厂下料制作，如图2所示。

图2 对称Y型岔管三维图及展开

其中，R0为公切球的半径；R1，R2分别为主管与支管的半径；A1，A2分别为到主管球原点及公切球原点到支管球原点的距离；β为分岔角；α1，α2分别为主锥管及支锥管的腰线折角；θ为钝角区腰线折角，见图1。

1.2 卜型岔管

卜型岔管的三维设计步骤与对称Y型岔管一致，区别在于增加了参数及参考尺寸约束的数量，R0，R1，R2，R3，A1，A2，A3，β作为参数，将α1，α2，α3，θ设置为参考约束尺寸。参数及参考尺寸约束如图3所示，岔管及三维展开如图4所示。

图3 卜型岔管平面

图4 卜型岔管三维图及展开

其中，R0为公切球的半径；R1，R2，R3分别为主管与支管的半径；A1，A2，A3分别为公切球原点到主管球原点及公切球原点到支管球原点的距离；β为分岔角；α1，α2，α3分别为主锥管及支锥管的腰线折角；θ为钝角区腰线折角，见图3。

上述方法都是按照岔管内表面半径进行的体型设计，工厂放样、下料时一般按板厚的中面展开，因此需在实际工程中对某些参数略做调整，伍鹤皋等[8]对比进行了详细的描述。

2 工程实例

某水电站进水口压力钢管设计水头520 m，采用对称Y型岔管，主管直径 3.0 m，支管直径2.2 m，岔管与月牙肋材质均为07MnCrMoVR，板厚分别为50 mm与100 mm，其余部位采用Q345R钢材。在CATIA中利用本文建立的对称Y型岔管的标准模板生成三维模型及平面展开图，将三维模型导入ANSYS软件中，材料假定为线弹性体，采用壳单元SHELL181模拟管节，实体单元SOLID185模拟肋板，管道末端施加固定约束。有限元网格见图5，岔管展开见图2，正常工况下的Mises应力见图6。

图5 岔管有限元计算网格

图6 岔管Mises应力

在各个工况下，岔管的应力与应变均满足设计要求，并且与实际受力情况基本符合，由此确定岔管壁厚及月牙肋尺寸。最后在工程图模块中生成岔管零件图。进行水压试验下的内力分析时，在CATIA模型中的直管段设置闷头即可。

3 结 语

本文利用CATIA软件的建模优势，将岔管分为对称Y型与卜型两类。通过简化参数与参考约束尺寸，分别建立了两类岔管的标准模板，生成了岔管的三维曲面模型及椎管的展开图，再将模型导入ANSYS软件中进行计算分析，确定岔管壁厚及月牙肋尺寸，最终获得了合理的岔管设计。对不同尺寸的岔管，只需改变标准模板中的参数即可完成体型设计及其椎管的展开图，该方法简单、直观，避免了重复性的建模工作，提高了设计精度与工作效率。同时，开展三维协同设计有助于提高设计质量，降低工程成本，是工程设计技术发展的必然趋势，而建立岔管的三维模型是三维协同设计中必要的一环。本文应用实例验证了一种模型，还需要对模型计算结果的准确性进行更进一步的对比分析，从而实现广泛应用。