李 偉（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

鋼岔管三維有限元應(yīng)力計(jì)算影響因素敏感性分析

李 偉
（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

鋼岔管受力分析的準(zhǔn)確性，對其能否安全穩(wěn)定的運(yùn)行，以及鋼管后廠房的安全性起到了至關(guān)重要的作用。在進(jìn)行鋼岔管三維有限元分析之前，通過控制每個(gè)單一因素變化對岔管應(yīng)力影響的程度，從而找到最合適控制因素確定各個(gè)影響因素對計(jì)算結(jié)果的影響程度，為后續(xù)鋼岔管有限元計(jì)算結(jié)果提供合理的控制依據(jù)。

鋼岔管應(yīng)力；敏感性分析

1 前言

本水電站工程鋼岔管采用Revit三維程序進(jìn)行建模，通過ABAQUS有限元軟件進(jìn)行模型的處理，以及計(jì)算工況的擬定控制。本工程岔管有限元計(jì)算敏感性分析是在確定因素不變的情況下，分析三維有限元應(yīng)力計(jì)算模型網(wǎng)格劃分大小、主支管邊界長度單一因素的變化，對三維有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果影響的變化規(guī)律。本文研究的結(jié)果對于鋼岔管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及襯砌型式具有參考價(jià)值。

2 工程簡介

新疆某水電站工程為大（2）型Ⅱ等工程，主要由大壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)等主要建筑物組成。

引水系統(tǒng)采用一洞三機(jī)聯(lián)合供水的布置型式，電站共三臺機(jī)組。鋼岔管段主管直徑2.6m，1#支管直徑2.1m，2#支管直徑1.4m。設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力（加水錘壓力）7.5MP a。1#岔管采用800MP a級鋼材，管壁厚度為46m m，肋板厚度為100m m，肋寬比為0.35，肋板腰部外伸寬度為150m m。鋼岔管平面模型詳見圖1。

3 取值及計(jì)算結(jié)果影響因素分析

3.1 允許應(yīng)力取值依據(jù)

鋼岔管構(gòu)件的允許應(yīng)力值嚴(yán)格按照《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 281-2003）中表7.2.2執(zhí)行，詳見表1。岔管計(jì)算時(shí)依據(jù)岔管不同部位的應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行取值，根據(jù)計(jì)算工況分別進(jìn)行校核分析。

3.2 強(qiáng)度條件計(jì)算依據(jù)

空間結(jié)構(gòu)計(jì)算嚴(yán)格按照《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 281-2003）中式6.1.3—2規(guī)定執(zhí)行，即按照第四強(qiáng)度理論計(jì)算的等效應(yīng)力小于等于允許應(yīng)力與焊縫系數(shù)的乘積如式（1），本岔管計(jì)算焊縫系數(shù)φ取0.9。

圖1 某水電站工程鋼岔管平面模型

3.3 邊界長度對計(jì)算結(jié)果影響分析

通過改變主管、支管邊界長度分析對肋板應(yīng)力的影響程度。擬定不變因素有:網(wǎng)格最大間距、并行處理器個(gè)數(shù)為4個(gè)C P U、荷載、材料參數(shù)、邊界約束條件、單元類型。擬定變化因素:主管及支管邊界長度分別取1倍管徑、2倍管徑、3倍管徑、5倍管徑、10倍管徑。通過5組主管及支管邊界長度變化，分析肋板應(yīng)力最終趨向值，其應(yīng)力云圖詳見圖2，應(yīng)力單位（pa）。5組邊界長度計(jì)算肋板中點(diǎn)的Mi s e s應(yīng)力值詳見表2，

除了龍王廟，筆者認(rèn)為，船廠附近還應(yīng)有衙署、軍營、驛站、工棚、庫房、工匠住宅、碼頭等設(shè)施，當(dāng)然這些不可能全是劉清所建。因?yàn)閯⑶宓谝淮蝸淼酱瑥S時(shí)，船廠已經(jīng)建立整整十年了，基礎(chǔ)設(shè)施和軍政建制應(yīng)該完善了，劉清對此大多是進(jìn)行修繕和增擴(kuò)建。

根據(jù)對圖2中5組肋板中點(diǎn)應(yīng)力值歸納。邊界長度取1倍管徑、2倍管徑、3倍管徑、5倍管徑、10倍管徑，對應(yīng)肋板中點(diǎn)應(yīng)力值分別為291.3Mpa、301.7Mpa、304.4Mpa、310.2Mpa、308.1Mpa。改變主管、支管邊界長度這個(gè)單一因素，當(dāng)邊界長度逐漸增大，對肋板中面中點(diǎn)的應(yīng)力影響不是特別明顯。

3.4 網(wǎng)格劃分密度對計(jì)算結(jié)果影響分析

通過ABAQUS軟件Mesh模塊中控制網(wǎng)格數(shù)目，即改變網(wǎng)格的最大間距，分析肋板網(wǎng)格對肋板應(yīng)力的影響程度。擬定不變因素有:主支管邊界長度、并行處理器個(gè)數(shù)為4個(gè) C P U、荷載、材料參數(shù)、邊界約束條件、單元類型。擬定變化因素:劃分網(wǎng)格間距分別取1.0m、0.5m、0.25m、0.125m、0.0625m、0.03125m。在計(jì)算過程中，為了能夠更清楚的反映網(wǎng)格大小對肋板應(yīng)力的影響，加密兩組數(shù)據(jù)，即在0.0625m～0.03125m之間加密一組數(shù)據(jù)，0.03125m之后增加一組數(shù)據(jù)0.02m。其肋板應(yīng)力云圖詳見圖3，應(yīng)力單位（pa），8組網(wǎng)格劃分大小肋板中點(diǎn)的Mises應(yīng)力值詳見表2。

根據(jù)對圖3中8組肋板中點(diǎn)應(yīng)力值歸納。改變網(wǎng)格劃分大小這個(gè)單一因素，來確定網(wǎng)格劃分大小對肋板應(yīng)力的影響程度。當(dāng)網(wǎng)格劃分大小不斷加密后，肋板的應(yīng)力由233.9MP a逐漸向306.7MP a趨近。在網(wǎng)格間距為0.25m時(shí)，肋板中面中點(diǎn)的應(yīng)力為界限值，繼續(xù)加密網(wǎng)格后，肋板的應(yīng)力值變化不明顯，并趨于平緩。

4 三維有限元計(jì)算成果敏感性分析及結(jié)論

4.1 敏感性分析

根據(jù)以上邊界條件、網(wǎng)格劃分密度對三維有限元計(jì)算敏感性分析計(jì)算結(jié)果，其敏感性分析計(jì)算成果詳見表2，并對計(jì)算數(shù)據(jù)繪制了應(yīng)力-網(wǎng)格邊界長度關(guān)系曲線圖，以便查看影響因素對鋼岔管的應(yīng)力應(yīng)變影響規(guī)律，詳見圖4。

圖2 岔管、肋板應(yīng)力云圖

圖3 網(wǎng)格密度影響分析肋板應(yīng)力云圖

表2 敏感性分析計(jì)算成果表

圖4 應(yīng)力-網(wǎng)格邊界長度關(guān)系曲線圖

4.2 敏感性分析結(jié)論

根據(jù)敏感性分析計(jì)算成果表、應(yīng)力-網(wǎng)格邊界長度關(guān)系曲線圖分析，通過改變主管及支管邊界長度這個(gè)單一因素，來分析邊界長度對肋板應(yīng)力的影響程度。當(dāng)邊界長度從1倍管徑加長到2倍管徑、3倍管徑、5倍管徑、10倍管徑后，其岔管肋板中面中點(diǎn)的應(yīng)力值應(yīng)力差異分別為:3.45%、0.89%、1.87%、0.68%，由此分析得出肋板中點(diǎn)的應(yīng)力值隨著邊界長度的逐漸增加變化不明顯。從以上計(jì)算成果的分析，結(jié)合圣維南定理以及計(jì)算過程效率，最終確定本水電站工程岔管三維有限元計(jì)算，選用自錐管末端起始3倍管徑的邊界長度條件作為模型計(jì)算邊界，其三維有限元計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果滿足材料的允許應(yīng)力，滿足規(guī)程規(guī)范的要求是合適的。

通過改變肋板網(wǎng)格劃分密度這個(gè)單一因素，來確定網(wǎng)格大小對肋板應(yīng)力的影響程度。當(dāng)網(wǎng)格間距大小從 1m 變化到 0.5m、0.25m、0.125m、0.0625m、0.04688m、0.03125、0.02m時(shí)，其肋板中面中點(diǎn)的應(yīng)力差異分別為:13.02%、9.2%、2.8%、0.62%、0.0653%、0.0652%。從以上計(jì)算成果分析，隨著網(wǎng)格的逐漸加密， 其肋板的應(yīng)力值變化逐漸減小。當(dāng)網(wǎng)格加密到0.0625m后，再加密網(wǎng)格其肋板應(yīng)力值變化不明顯，從應(yīng)力-網(wǎng)格邊界長度關(guān)系曲線圖也反映出其應(yīng)力曲線逐漸趨于平緩。最終根據(jù)肋板應(yīng)力值的變化規(guī)律，當(dāng)肋板網(wǎng)格大小不斷加密，其肋板網(wǎng)格的長、寬比逐漸趨于一致、肋板內(nèi)外側(cè)曲線逐漸光滑平順。由此確定主管管徑為2.6m時(shí)，三維有限元計(jì)算模型網(wǎng)格間距取0.125m，其計(jì)算結(jié)果應(yīng)力值比較合理。

綜合以上敏感性分析計(jì)算成果，最終確定了新疆某水電站工程岔管的設(shè)計(jì)參數(shù)和體型。

5 結(jié)語

結(jié)合新疆某水電站工程岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本次岔管三維有限元應(yīng)力計(jì)算影響因素的敏感性分析基本探明了邊界長度、網(wǎng)格劃分大小對鋼岔管的應(yīng)力應(yīng)變影響的變化規(guī)律。此類敏感性分析的方法及結(jié)論，為鋼岔管有限元計(jì)算成果的分析、應(yīng)力選取、結(jié)構(gòu)體型等設(shè)計(jì)參數(shù)的確定提供了合理的控制依據(jù)。

［1］王君峰，廖小烽.R e v i tA r c hi t e c t ur e2010建筑設(shè)計(jì)火星課堂［M］.北京:人民郵電出版社，2010:3-5.

［2］方海挺.A ut o C A D和有限元軟件的聯(lián)合建模及計(jì)算［J］.水利與建筑學(xué)報(bào)，2005（03）.

［3］李鎮(zhèn)坤A ut o C A D 20073D模型在水電工程中的應(yīng)用［J］.四川水利發(fā)電，2009（02）.

［4］伍鶴皋，石長征，蘇凱.埋藏式月牙肋岔管結(jié)構(gòu)特性研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2008，39（04）.

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李 偉（1982年—），男，工程師。