趙宗華

（中煤第一建設(shè)有限公司，河北 邯鄲 056000）

近年來，在國家和地方相關(guān)機構(gòu)有力推動下，BIM技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展迅速，煤炭行業(yè)也在設(shè)計、施工、運營等各環(huán)節(jié)積極推廣BIM技術(shù)。目前，還尚未出現(xiàn)一款可以直接應(yīng)用在煤礦各環(huán)節(jié)的BIM軟件，尤其對于各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備BIM模型，仍需借助諸如Creo、Solidworks、Inventor等機械行業(yè)三維設(shè)計軟件。Creo是美國PTC公司推出的三維設(shè)計軟件，具有參數(shù)化設(shè)計、基于特征建模、單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)）的特點，具有二維制圖、三維建模、整體裝配和有限元分析等功能。同時，Creo建立的三維模型可導(dǎo)入Revit、ArchInCAD等BIM軟件。在目前軟件平臺欠缺的情況下，機械專業(yè)設(shè)計人員可以借助Creo的強大功能開展三維設(shè)計工作。

在設(shè)計井筒管路時，應(yīng)設(shè)置防彎裝置及托管裝置。防彎裝置一般借助梯子間主梁或管道梁，并設(shè)置導(dǎo)向裝置，其作用是保持管路縱向穩(wěn)定；托管裝置由焊接直管座及各支承梁組成，用以承受作用于管路上的各項荷載。

1 管路荷載分析

煤礦生產(chǎn)常用管路主要有排水管路、壓縮空氣管路、注氮管路、消防灑水管路和黃泥灌漿管路，其中以排水管路的受力情況最為復(fù)雜，本文以排水管路為例對管路荷載情況進(jìn)行分析。

管路支承梁承受荷載主要包括：永久荷載、可變荷載和偶然荷載。永久荷載主要是各管路、管件、法蘭及各種連接件的自重，實際計算時可取分段管路自重的1.3倍?？勺兒奢d包括水柱重力和溫度力。計算水柱力時，一般認(rèn)為水柱重力全部作用于最底層的支承梁，其余層位可取全部水柱重力的一定比例。溫度力是由于環(huán)境溫度變化，管路不能自由伸縮引起的，計算時溫差應(yīng)參考管路安裝地點環(huán)境溫度變化確定。若在管路上安裝管路伸縮器時，溫度力可忽略不計，但現(xiàn)有管路伸縮器承受壓力較小，密封性能較差，在壓力較小的氣體傳輸管路上應(yīng)用較多，對于壓力較大、受力復(fù)雜的排水管路，應(yīng)用較少。偶然荷載主要是直接水錘力，水錘力的產(chǎn)生機理及過程比較復(fù)雜，雖然可通過在水泵出口安裝微阻緩閉止回閥在一定程度上緩解水錘作用，但為保證管道安全，計算受力時，認(rèn)為直接水錘力全部作用于最底層的支承梁，其余層位可取水錘力的一定比例。

計算各分項荷載后，將各荷載進(jìn)行基本組合和偶然組合計算，取兩者較大值，再根據(jù)礦井服務(wù)年限取結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計值。

圖1為設(shè)計的國投哈密大南湖七號煤礦進(jìn)風(fēng)立井井筒管路布置平面圖。井筒深度226m，布置1趟D219×6注氮管路、1趟D325×8壓縮空氣管路和2趟D325×10主排水管路。

圖1 井筒管路布置平面圖

考慮井筒深度較淺，且新疆地區(qū)溫差較大，溫度力在各管路受力中占比較大，僅在井筒與管子道開口上部5m處設(shè)置一托管裝置，此時管路一端可自由伸縮，不再考慮溫度力的影響。在確保管路安裝穩(wěn)定可靠的情況下，避免安裝管路伸縮器，減少托管裝置數(shù)量，減小管路荷載，技術(shù)可靠，經(jīng)濟合理。

經(jīng)計算各管路荷載情況如表1所示。

表1 各管路荷載匯總表 單位：kN

2 建立三維模型

2.1 防彎裝置

防彎裝置承受荷載較小，可利用梯子間主梁，導(dǎo)向裝置采用鋼帶結(jié)構(gòu)形式，具有調(diào)節(jié)靈活、穩(wěn)定可靠、使用時間長、不易損壞等特點。導(dǎo)向裝置三維模型如圖2所示。

2.2 托管裝置

根據(jù)管路受力情況，對托管裝置的各焊接直管座和支承梁進(jìn)行初步估算。各支承梁采用焊接型鋼，材質(zhì)選擇Q345B，各梁斷面尺寸見表2。初步確定各部件尺寸后，在Creo中建立各安裝構(gòu)件三維模型，并在Creo中進(jìn)行裝配。托管裝置如圖3所示。

表2 各支承梁斷面尺寸匯總表 單位：mm

圖2 導(dǎo)向裝置三維模型

圖3 托管裝置

3 有限元分析

Creo具有靜態(tài)、動態(tài)結(jié)構(gòu)分析功能，本文僅以井筒排水管路的焊接直管座及托管大梁的有限元分析為例，對Creo的有限元分析方法及流程加以說明。

3.1 焊接直管座

由“零件”模式下的三維模型界面“應(yīng)用程序—Simulation”菜單進(jìn)入有限元分析模式。

（1）分配材料

對焊接直管座各部分設(shè)置材料屬性，其中無縫鋼管采用20#鋼，其余部分采用Q345B。

（2）施加荷載

焊接直管座承受荷載主要為管路重力、水柱壓力及水錘力。管路重力（永久荷載263.7kN）以“力/力矩”形式施加于焊接直管座管路頂部；水柱壓力（可變荷載181kN）以“壓力”形式施加于焊接直管座管路內(nèi)壁；水錘力（偶然荷載169.4kN）以“力/力矩”形式施加于焊接直管座管路底部。

（3）設(shè)置約束

選取焊接直管座底板底面，設(shè)置為固定約束。

（4）分析研究

建立靜態(tài)分析，焊接直管座應(yīng)力云圖及位移云圖如圖4所示。由圖可知，焊接直管座最大應(yīng)力為114.17MPa，位于無縫鋼管與底板焊接處；最大位移為0.148mm，位于焊接直管座頂部。由此可知，焊接直管座滿足設(shè)計要求。

圖4 焊接直管座應(yīng)力及位移云圖

3.2 托管大梁

對于托管大梁的有限元分析，可采用Creo“精細(xì)模型—梁”進(jìn)行分析。此種分析方法是將梁進(jìn)行理想化處理，避免了由圓孔及焊接引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

（1）建立模型

在“零件”模式下繪制與梁等長度的直線，進(jìn)入有限元分析模式，根據(jù)梁實際受力情況，在直線上根據(jù)托管大梁支承及受力位置創(chuàng)建基準(zhǔn)點。選取直線，對梁斷面進(jìn)行設(shè)置。

（2）分配材料

大梁材質(zhì)為Q345B。

（3）施加荷載

選取創(chuàng)建的各基準(zhǔn)點，設(shè)置荷載，方向為Y軸負(fù)向。

（4）設(shè)置約束

分別選取梁兩端點，一端設(shè)置為活動鉸支座，一端設(shè)置為固定鉸支座。

（5）分析研究

建立靜態(tài)分析，大梁應(yīng)力及位移曲線見圖5。大梁最大應(yīng)力為160MPa，最大位移為8.43mm。由此可知，托管大梁滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文以筆者設(shè)計的國投哈密大南湖七號煤礦進(jìn)風(fēng)立井井筒管路為例，對井筒管路受力情況進(jìn)行分析，利用Creo軟件對井筒管路防彎裝置和托管裝置進(jìn)行三維建模及有限元分析，分析結(jié)果表明設(shè)計經(jīng)濟合理、安全可靠。以此簡要說明Creo軟件在煤炭行業(yè)三維設(shè)計中的應(yīng)用，對煤炭行業(yè)BIM設(shè)計的發(fā)展具有一定借鑒意義。

圖5 托管大梁應(yīng)力及位移曲線