肋宽比对月牙肋应力变形的影响分析

宋 勇，杨小林，王 瑶，温仁节

(四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都，610072)

1 前言

月牙肋钢岔管对HD值适应性强、工程经验积累丰富，在我国水利水电工程中使用广泛。月牙肋主要用于平衡两分支管破口处膜应力，肋板呈偏心受拉。为使月牙肋受力合理，《水利水电工程压力钢管设计规范》(SL/T 281-2020)(下文简称“规范”)给出了分岔角与肋宽比之间的关系曲线[1]，由规范可知，肋宽比随分岔角减小而增大。受结构布置和水头损失等因素影响，卜形岔管分岔角通常较小，一般分岔角越小，月牙肋岔管水头损失越小[2]，但会导致月牙肋宽度加大，插入管内更深，反而会恶化水力条件[3-4]。因此，分析肋宽比对月牙肋应力变形的影响，合理减小月牙肋宽度，使月牙肋岔管兼顾水力和结构两方面要求[5]，有重要的工程价值。

本文依托某供水工程月牙肋钢岔管，通过有限元分析，研究肋宽比对月牙肋应力变形的影响，为肋板体型优化设计提供思路。

2 计算模型

某供水工程月牙肋钢岔管主管直径3.4m，两支管直径分别为2m、2.4m，分岔角55°，月牙肋水平投影长a=2799mm，顶端距中央截面距离b=1933mm，按规范计算肋宽比Bt/a=0.450(规范建议设导流板)，肋板宽Bt=1260mm。岔管特殊工况下最高内水压力1.5MPa，钢材选用Q345R钢，结构按明岔管计算，肋板厚tw=60mm，基本锥厚t=28mm，过渡锥厚t=26mm，圆柱管厚t=24mm，结构见图1。

图1 月牙肋岔管结构

有限元模型采用壳单元模拟岔管，钢材弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85g/cm3。有限元模拟保持肋板厚度和其他结构不变，计算肋宽比分别为0.357、0.393、0.429和0.450(对应肋板宽度分别为1000mm、1100mm、1200mm和1260mm)的岔管，在内水压力作用下的应力变形，有限元模型如图2所示。

3 计算结果及其分析

3.1 月牙肋应力结果及其分析

不同肋宽比月牙肋von Mises应力等值线图如图3-图6(单位Pa)，由图3-图6可知，月牙肋von Mises应力最大值在肋板中央截面内缘线处，表明月牙肋中央截面控制着肋板设计。月牙肋von Mises应力随肋宽比增大而减小，von Mises应力从内缘线至外缘线递减，肋宽比越大，内缘线与外缘线间应力差值越小，肋板偏心受拉越弱。

图3 von Mises应力等值线(Bt/a=0.357)

图4 von Mises应力等值线(Bt/a=0.393)

图5 von Mises应力等值线(Bt/a=0.429)

图6 von Mises应力等值线(Bt/a=0.450)

不同肋宽比月牙肋中央截面最大第一主应力σ1结果见表1，由表1可知，有限元计算结果明显大于规范计算结果，部分原因为规范将中央截面应力平均处理，未能体现偏心受拉影响。中央截面最大第一主应力随肋宽比增大而迅速减小，在接近规范给定肋宽比附近减小趋势放缓。

表1 中央截面最大第一主应力(MPa)

3.2 月牙肋变形结果及其分析

不同肋宽比月牙肋变形等值线图如图7-图10(单位m)，由图7-图10可知，相同肋板厚度下，肋宽比越大，肋板变形等值线图与月牙肋内缘线夹角越大。当肋宽比为0.450时，变形等值线基本与月牙肋内缘线及外缘线正交，肋板变形结果最佳。

图7 变形等值线(Bt/a=0.357)

图8 变形等值线(Bt/a=0.393)

图9 变形等值线(Bt/a=0.429)

图10 变形等值线(Bt/a=0.450)

3.3 月牙肋优化分析

基于肋宽比对月牙肋应力变形的影响分析可知，按照规范拟定肋宽比的月牙肋应力最小，变形结果最佳，但肋板插入岔管最深，对水流影响最大。基于应力分析，4种肋宽比均可满足月牙肋钢材强度要求，但肋宽比为0.357时，肋板中央截面内缘线与外缘线间应力及变形差异过大，变形不谐调。因此，本文月牙肋岔管肋宽比取0.393，使岔管保障力学要求，同时改善水力条件。

4 结论

本文基于规范计算结果，进行了4组不同肋宽比的钢岔管有限元计算，并将月牙肋应力结果同规范比较。计算结果表明，按规范拟定肋宽比得到的月牙肋应力及变形结果最佳，但对水流影响最大。随着肋宽比增大，月牙肋中央截面最大主应力迅速下降，肋板偏心受拉得到缓解；随着肋宽比增大。月牙肋位移等值线图与肋板内缘线夹角越大，肋板变形协调更优。可在规范基础上适当减小肋宽比，使月牙肋岔管同时兼顾水力和结构要求，避免设置导流板。