基于ANSYS的泄流洞鋼管連接段有限元分析

韓少玄

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

壓力鋼管是水工建筑物中常見的輸水建筑物，主要承擔(dān)一些重要用水設(shè)備的輸水、引水、泄水任務(wù)。隨著國(guó)內(nèi)外水電事業(yè)的大力發(fā)展，水電站規(guī)模越來越大，壓力鋼管HD值(壓力管道承受的水頭與直徑的乘積)也越來越大，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)越來越復(fù)雜[1-2]。壓力鋼管作為一種薄殼結(jié)構(gòu)，能夠承受較大的內(nèi)水壓力，但抵抗外壓的能力較弱，其穩(wěn)定性問題非常突出，一直是大家關(guān)注的重點(diǎn)[3]。

壓力鋼管的穩(wěn)定性計(jì)算目前多采用規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)半理論公式法，由于這些公式或是在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來的，或是通過一定的假設(shè)來分析計(jì)算的，在某種程度上是有一定的適用范圍，并且各種理論方法的基本假定和簡(jiǎn)化方法各不一樣，計(jì)算結(jié)果也會(huì)有較大差異。因此，這些方法的應(yīng)用范圍非常受限，國(guó)內(nèi)外與壓力管道設(shè)計(jì)的理論方法相應(yīng)的研究成果非常缺乏[3]。

對(duì)于受力復(fù)雜的情況，可以利用有限元分析軟件ANSYS強(qiáng)大的建模能力、非線性分析能力及良好的優(yōu)化設(shè)計(jì)能力進(jìn)行模擬分析，能夠有效表達(dá)出比較真實(shí)的受力結(jié)果。因此，本文提出采用有限元分析軟件對(duì)鋼管連接段進(jìn)行受力分析，旨在尋找一種可方便直接用于計(jì)算分析的方法。

1 工程概況

羌姆溪水電站位于伊朗伊斯蘭共和國(guó)的zohreh河中下游，是一個(gè)用于防洪、發(fā)電、蓄水的樞紐工程，同時(shí)具備改善水生態(tài)環(huán)境及灌溉的功能。工程主要有大壩、引水系統(tǒng)、地面廠房等主要建筑物組成，規(guī)模為I等大(1)型水利樞紐。電站共有5臺(tái)機(jī)組，包括3臺(tái)大機(jī)組和2臺(tái)小機(jī)組，總裝機(jī)容量為17.6萬kW。電站最高洪水位為601.00m，正常蓄水位為598.00m，最低水位為543.70m。

泄洪洞位于大壩下部，高程為499.00m，出口與鋼管進(jìn)口漸變段相連接，連接段為三角區(qū)，布置如圖1所示。連接段邊界條件復(fù)雜，受力不明確，且屬于薄弱部位，常規(guī)計(jì)算方法具有很大受限性。因此，本文采用ANSYS進(jìn)行有限元分析。

圖1 連接布置示意圖

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 材料性質(zhì)

壓力鋼管所用鋼材不僅要具有足夠的強(qiáng)度，還要有良好的塑性和韌性以及優(yōu)良的焊接性。根據(jù)本工程實(shí)際情況及規(guī)范要求，連接段管殼擬選用Q345R低合金鋼，連接段加勁環(huán)選用610MPa級(jí)高強(qiáng)鋼07MnMoVR。

Q345鋼材彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，容重為7.85×10-5N/mm3，線膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃。610 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，容重為7.85×10-5N/mm3，線膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃。

2.2 計(jì)算荷載

根據(jù)規(guī)范[5-8]規(guī)定，連接段荷載分類及荷載設(shè)計(jì)值見表1。

表1 連接段荷載種類及設(shè)計(jì)值 單位：MPa

2.3 荷載組合

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[4-7]的規(guī)定，荷載作用效應(yīng)組合下的計(jì)算工況及安全系數(shù)見表2。

表2 連接段計(jì)算工況及安全系數(shù)

2.4 鋼材允許應(yīng)力

鋼材允許應(yīng)力計(jì)算公式[5-8]采用以下公式：

f=kαF/c

(1)

式中，f—允許應(yīng)力；k—焊縫系數(shù)，取0.9；α—應(yīng)力提高系數(shù)，膜應(yīng)力區(qū)取1.0；局部應(yīng)力區(qū)取1.35；F—鋼材屈服強(qiáng)度下限值；c—安全系數(shù)。

管殼轉(zhuǎn)折點(diǎn)和管殼與加勁環(huán)連接部位的強(qiáng)度校核按局部應(yīng)力考慮；加勁環(huán)的強(qiáng)度校核按局部應(yīng)力考慮；其它部位按整體膜應(yīng)力允許應(yīng)力考慮。經(jīng)計(jì)算，鋼材允許應(yīng)力值見表3。

表3 鋼材的允許應(yīng)力值

3 有限元分析

3.1 有限元模型及邊界條件

從設(shè)計(jì)安全角度及簡(jiǎn)化模型方便計(jì)算考慮，本文計(jì)算過程不考慮圍巖對(duì)漸變段的聯(lián)合承載作用，全部按鋼管單獨(dú)承載考慮。漸變段加勁環(huán)選用610MPa級(jí)高強(qiáng)鋼，管殼選用Q345R低合金鋼，并在漸變段加勁環(huán)上增設(shè)寬200mm的翼緣，連接段側(cè)部設(shè)置筋板。

為了能夠模擬實(shí)際情況，考慮部分漸變段及主體鋼管整體建模。計(jì)算模型在與漸變段相鄰的圓管段端部取固端全約束，圓管段軸線長(zhǎng)度取漸變段管道直徑的1.5倍以上，漸變段管殼和加勁環(huán)網(wǎng)格剖分全部采用ANSYS中SHELL63板殼單元。模型可以通過劃分單元尺寸調(diào)節(jié)計(jì)算精度，一般精度越高，計(jì)算結(jié)果越接近于真實(shí)值，但計(jì)算過程耗時(shí)越久，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行試算選擇最合適的網(wǎng)格劃分精度。

有限元模型建立在笛卡爾直角坐標(biāo)系坐標(biāo)(x，y，z)下，xoy面為水平面，豎直方向?yàn)閦軸，向上為正，坐標(biāo)系成右手螺旋，坐標(biāo)原點(diǎn)位于漸變段上游的方形進(jìn)口斷面軸線處。連接段有限元模型如圖2所示，模型的邊界條件和荷載如圖3所示。

圖2 連接段有限元模型

圖3 邊界條件和荷載

建模過程如下：

(1)創(chuàng)建幾何模型(由于體型復(fù)雜采用自底向上建模方式)。

(2)設(shè)置單元類型及參數(shù)。

(3)設(shè)置網(wǎng)格精度進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。

(4)施加荷載并進(jìn)行求解。

(5)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。如結(jié)果不滿足要求應(yīng)對(duì)模型及參數(shù)、網(wǎng)格精度進(jìn)行修改調(diào)整，再進(jìn)行計(jì)算。

3.2 應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)NB/T 35056—2015《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，鋼管連接段在各種作用效應(yīng)組合情況下的計(jì)算應(yīng)力應(yīng)滿足以下強(qiáng)度條件：

(2)

式中，σ—鋼管連接段Von Mises應(yīng)力；σθ，σx，σr—環(huán)向、軸向、徑向正應(yīng)力，以拉為正；τθx，τθr，τxr—剪應(yīng)力；[σ]—鋼材允許應(yīng)力。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

不同工況下的連接段最大Mises應(yīng)力及位移值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表4，不同工況下管殼和加勁環(huán)的應(yīng)力云圖以及各方向的位移云圖，如圖4—21所示，其中應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù)。

從以上計(jì)算結(jié)果及云圖可以看出，各計(jì)算工況下，連接段管殼和加勁環(huán)及筋板的各部位Mises應(yīng)力最大值均小于鋼材對(duì)應(yīng)的允許應(yīng)力；計(jì)算位移值均比較小，最大值不超過25mm。這說明連接段的管殼厚度、加勁環(huán)(含翼緣)和筋板設(shè)計(jì)尺寸在各計(jì)算工況下均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖4 LC1工況管殼Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖5 LC1工況加勁環(huán)及筋板Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖6 LC1工況連接段整體x向位移云圖(單位：m)

表4 連接段最大Mises應(yīng)力及位移值

圖7 LC1工況連接段整體y向位移云圖(單位：m)

圖8 LC1工況 連接段整體z向位移云圖(單位：m)

圖9 LC1工況連接段整體合位移云圖(單位：m)

圖10 LC3工況管殼Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖11 LC3工況加勁環(huán)及筋板Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖 12 LC3工況 連接段整體x向位移云圖(單位：m)

圖13 LC3工況連接段整體y向位移云圖(單位：m)

圖14 LC3工況連接段整體z向位移云圖(單位：m)

圖15 LC3工況連接段整體合位移云圖(單位：m)

圖16 LC4工況管殼Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖17 LC4工況加勁環(huán)及筋板Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖18 LC4工況連接段整體x向位移云圖(單位：m)

圖19 LC4工況漸變段連接段整體y向位移云圖(單位：m)

圖20 LC4工況連接段整體z向位移云圖(單位：m)

圖21 LC4工況連接段整體合位移云圖(單位：m)

3.4 體型設(shè)計(jì)

根據(jù)羌姆溪水電站泄洪洞鋼管出口漸變段設(shè)計(jì)圖紙，采用有限元計(jì)算分析，對(duì)連接段管壁厚度和側(cè)部筋板的尺寸進(jìn)一步校核和優(yōu)化。根據(jù)計(jì)算結(jié)果最終確定尺寸為：管殼厚40mm(計(jì)算時(shí)扣除2mm的銹蝕厚度)，筋板為400mm×20mm。

4 結(jié)論

本文采用有限元計(jì)算分析連接段在各計(jì)算工況下的受力和變形特性，得出以下結(jié)論和建議。

(1)根據(jù)有限元計(jì)算分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核、優(yōu)化，可以為后續(xù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(2)在模型計(jì)算中，不考慮圍巖對(duì)漸變段的聯(lián)合承載作用，按鋼管單獨(dú)承載來對(duì)連接段管殼和加勁環(huán)的位移及應(yīng)力展開研究，將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，對(duì)其他類似工程具有一定的借鑒意義。

(3)由于連接段體型復(fù)雜，是泄水系統(tǒng)非常關(guān)鍵的部位，計(jì)算模型及參數(shù)的選取應(yīng)合理有效。本文沒有考慮溫度變化對(duì)鋼管材料的耦合作用，后續(xù)可以進(jìn)一步開展研究。