基于CATIA的平底三梁钢岔管辅助设计系统开发与应用

鲁志航，伍鹤皋，严利冰，石长征，胡 蕾

(1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2. 长江科学院，武汉 430010)

0 引 言

压力钢管是水电站引水系统的重要组成部分之一，采用一管多机方案或需设置生态用引水管道时，需设置岔管[1]。钢岔管一般由薄壳和加强构件组成，长期承受着高水压的作用，受力条件复杂，其运行时的安全性极为重要，因此应对钢岔管结构进行合理的设计分析。

现有的水电站引水管道系统在分岔管段通常采用主支管轴线等高程布置，即钢岔管的体形上下对称。由于主支管管径不同，导致岔管段底部高程支管高于主管，当管道放空检修时岔管之前管段部分水体只能采用水泵抽排，而水泵抽水效率低下，耗时长，严重影响检修工期，为此本文提出了可以自流排水的新型平底三梁岔管。平底岔管结构由于上下不对称，目前尚无可靠的结构力学计算方法，一般应采用有限元法进行设计计算[2]。在岔管结构参数选择或优化设计时，需采用有限元软件反复建模计算，十分繁琐，工作量巨大。因此本文拟基于CATIA软件进行二次开发，自动化建模，进而用于有限元分析，将显著提高设计效率。

近几年以来，国内相关单位开发了基于CATIA的月牙肋钢岔管辅助设计系统[3]，成功实现了和CATIA的对接，并且操控CATIA实现了对整个岔管的自动剖分，从而避免了复杂的节点坐标计算。该系统独立性较好，可以适应CATIA V5R17以上的各种版本，实现了月牙肋钢岔管的CAD、CAM、CAE集成。另外王巍[4]和韩晓凤[5]等提出了基于CATIA的三维岔管设计方法，基本实现了钢岔管三维模型与有限元软件的无缝对接。但对于平底三梁岔管的三维设计和有限元分析，目前尚未见相应研究成果。

1 平底三梁岔管辅助设计系统的开发

CATIA功能强大，设计模块完备，图形化的操作界面简单明了[6]。软件基于特征的参数化实体造型系统可使模型设计图随着参数尺寸的修改而自动修改。自动化对象编程接口(Automation API)一般采用基于Basic语言的Visual Basic 6.0软件(以下简称VB)开发，虽接口少于CAA，但用独立的外部程序控制而非集成CATIA操作，容易掌握，不依赖版本，便于使用和集成更多外部功能[7]，如转换APDL语言至ANSYS有限元程序进行分析，有利于完成水电站平底三梁钢岔管的设计任务。

平底三梁钢岔管从岔管体形设计理论出发，类比月牙肋岔管，主管与支管扩大形成的支锥管相连，将支锥管段轴线向下倾斜，使得各管节底部母线同高，同时各管节之间相贯线由公切球决定[8]。参照三梁岔管设置外伸梁承担不平衡力，同时将U梁部分内伸形成肋板，使得岔管受力情况更优[9]。虽然平底三梁钢岔管的管节间所有相贯线均为平面曲线，但各管段上下不对称，在笛卡尔直角坐标系中几何方程表述比较复杂。

本程序开发过程中的关键问题是设计建模时要求多圆锥曲面在轴线完全不水平的情况下相贯，需要圆锥曲面在非对称的普遍情况下进行部分相交。类似的研究成果很少，尤其是对三维复杂圆锥曲面的解析式没有展开深入研究。本文从平底三梁钢岔管的几何体形特征出发得到圆锥曲面之间的相贯线。根据几何特征，各管段均为圆锥曲面[10]，因而已知岔管进出口管径和管壳轴线、母线，利用CATIA曲面建模，旋转得到各管节曲面，相交相邻管节得到相贯椭圆曲线[11]，用曲线所在平面裁剪各管节，肋板使用仿射工具和填充工具画出，即可得到平底三梁钢岔管三维模型。

1.1 系统结构

本程序调用CATIA二次开发接口，基于Windows系统使用VB语言进行个性化的定制开发，以三维设计与有限元分析的自动化和高效化为目标，填补实际工程需要。具体的开发思路如下：编写独立的exe程序对各种功能集成封装，调用CATIA完成三维模型和网格的建立，采用ANSYS软件完成有限元分析工作；通过本程序进行两种软件之间的数据语言转换，同时编写附加功能，如保存数据等。

系统开发的总体结构框图如图1。本系统按岔管布置形式分为对称和卜形两个模块，每个模块包括明管、埋管和水压试验3种工况的有限元模型。

图1 程序流程图

1.2 程序界面设计与参数说明

程序界面设计是程序开发中的重要一环，因为它是用户信息交互面对的主要窗口。用户可以在程序界面中读取和输入信息、点击和使用界面按钮。

在计算机上双击本系统程序就进入系统主界面，软件的主界面上方菜单栏由“对称平底岔管”和“卜型平底岔管”两个功能按钮作为子程序的入口。在主界面点击右上角“最小化”“退出”可以缩小和关闭本系统。系统包括对称和卜形两个模块，界面大体相同，具体输入参数和计算方式有所不同。子界面分为“体型参数”和“三维模型与网格”两个部分，如图2、图3所示。

图2 体型参数设计界面

图3 三维模型和网格设计界面

体型参数选项卡包含示意图和基本参数，岔管体型参数控制包括各管段长度、半径和角度以及梁尺寸。网格剖分选项卡包含网格划分份数、实常数设置、材料参数和操纵按钮等部分。

2 平底三梁钢岔管程序应用实例

本节以某水电站工程为例，进行对称平底三梁钢岔管程序应用实例分析。该水电站引水压力钢管主、支管直径分别为4.7和3.3 m，设计水头为360 m(含水锤)。根据岔管规模，钢岔管采用低焊接裂纹敏感性600 MPa级高强钢，按照规范确定的钢材抗力限值见表1。应用本文所编写的程序进行三维建模，然后应用ANSYS进行有限元分析，设计参数见表2，主要包括正常运行和水压试验两个工况，对称平底三梁岔管的三维模型见图4。将图5所示母线转折处各关键点内、中、外表面及U梁最大截面处的Mises应力值整理至表格，并与允许应力值进行了比较。其中通过本文程序计算整理的结果见表3，通过现有工具(CATIA和ANSYS)设计整理的结果如表4所示。

图4 对称平底三梁岔管三维模型

图5 对称平底三梁岔管关键点

表1 岔管钢材的抗力限值表

表2 对称平底三梁钢岔管设计参数

以上计算结果表明，正常运行工况下各部位管壳和加强梁应力均小于钢材相应的允许应力，说明表1所设计的岔管体形、管壁厚度以及加强梁尺寸是可行的，可以满足钢岔管单独承载的工程要求。对比本文程序计算结果(表3)和CATIA工具计算结果(表4)可以发现，各关键点Mises应力值相差很小，证明了本文程序的正确性。整个设计过程表明，本文基于CATIA二次开发的水电站平底三梁钢岔管辅助设计系统可以快速实现钢岔管的三维建模以及网格自动划分，直至有限元分析，设计效率大大提升。

3 埋藏式平底三梁钢岔管与围岩联合承载设计研究

对于具有足够埋深的地下埋藏式平底三梁钢岔管，可以采用本文程序开发的埋管三维建模功能和ANSYS软件中的接触单元，对平底三梁钢岔管和围岩联合承载作用进行模拟。根据工程钢岔管处于Ⅲ类围岩的实际情况，取单位弹性抗力系数为45 MPa/cm，缝隙值取6×10-4r(r为钢管半径)，依据不同管节直径可确定出接触单元的法向刚度和缝隙值。然后按照《地下埋藏式月牙肋钢岔管设计规范》NB/T 35110-2018[12]的规定，依次通过联合承载、明管校核、围岩承载比等计算过程，可计算得钢岔管最优管壳厚度和加强梁尺寸以及围岩承载比。具体的计算结果列于表5、6，表中关键点如图5所示。

表3 本文程序对称平底三梁钢岔管关键点Mises应力 MPa

注：表中应力种类一栏中:(1)表示整体膜应力；(2)为局部膜应力；(3)为局部膜应力+弯曲应力；(4)为局部膜应力+弯曲应力+二次应力，以下同。

表4 采用CATIA对称平底三梁钢岔管关键点Mises应力 MPa

表5 埋藏式钢岔管计算参数

表6 埋管方案钢岔管关键点Mises应力 MPa

从表6可以看出，钢岔管联合承载正常运行工况下各部位应力均小于钢材相应的允许应力。另外，按照《地下埋藏式月牙肋钢岔管设计规范》NB/T 35110-2018提供的围岩承载比计算公式，计算得到钢岔管围岩承载比在15%左右，说明前面根据联合承载和明管校核条件确定的管壁厚度和梁尺寸，同时能够满足围岩承载比规定小于30%的要求。

进一步比较表5中两种岔管结构所需管壳厚度和加强梁尺寸可见，考虑围岩联合承载后，即使管壳厚度由50 mm减小为38 mm、加强梁厚度由120 mm减小为60 mm，按联合承载所设计的岔管体形、管壁厚度以及梁尺寸均是可行的，完全可以满足工程要求。

4 结 语

本文以水电站平底三梁钢岔管为对象，调用CATIA二次开发接口，基于Windows系统使用VB语言进行个性化的定制开发，完成了水电站平底三梁钢岔管辅助设计系统研发，并选取某水电站工程实例进行了程序应用验证，得出以下几点结论。

(1)本文基于CATIA二次开发的水电站平底三梁钢岔管辅助设计系统可以快速实现岔管的三维建模、网格划分、CATIA网格信息转换和各工况下ANSYS命令流生成等计算过程的自动化，设计效率大大提升。

(2)水电站钢岔管采用平底岔管型式，可以实现引水管道系统检修时自流排水，避免在钢岔管上开孔设置排水管或采用水泵排水的不利状况，大大提高了引水管道系统检修排水的工作效率。

(3)利用本文开发出的水电站平底三梁钢岔管三维辅助设计系统联合承载设计模块，可以进一步优化平底三梁钢岔管的管壳厚度和加强梁尺寸。计算表明，按联合承载设计的钢岔管管壳厚度和加强梁尺寸与明岔管相比，钢岔管U梁尺寸和管壳厚度大为减小，不仅可以降低工程造价，还能减少焊接工作量，加快施工进度，在实际工程中具有广阔的应用前景。

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