胡馨之,伍鶴皋,石長征,蘇 凱

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,湖北武漢430072)

肋板形狀對月牙肋鋼岔管應(yīng)力影響的研究

胡馨之,伍鶴皋,石長征,蘇 凱

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,湖北武漢430072)

結(jié)合某水電站月牙肋鋼岔管的工程實際,利用自主研發(fā)的月牙肋岔管體形設(shè)計程序和ANSYS軟件,對岔管結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元計算,得到了不同分岔角下各肋板方案的計算結(jié)果,對比了管殼及肋板關(guān)鍵點的應(yīng)力,討論了不同肋板形狀對肋板應(yīng)力分布及管殼應(yīng)力的影響。研究認(rèn)為,管殼最大應(yīng)力在肋板內(nèi)緣曲線為橢圓曲線時較小,肋板水平截面應(yīng)力在肋板內(nèi)緣曲線為橢圓曲線,外緣曲線相對于相貫線偏移不等寬時較小,同時應(yīng)力分布更加均勻,有利于發(fā)揮鋼材的作用。

月牙肋鋼岔管；體形設(shè)計；肋板形狀；管殼；肋板；有限元；應(yīng)力

1 問題的提出

內(nèi)加強月牙肋岔管是在三梁岔管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種岔管結(jié)構(gòu)形式,其特點是采用嵌入管內(nèi)的月牙形肋板代替三梁岔管的U形梁,以承受不平衡水壓力。月牙肋岔管具有受力合理、結(jié)構(gòu)尺寸小、外表光滑、結(jié)構(gòu)可靠以及制作安裝方便等優(yōu)點,在大中型電站及抽水蓄能電站的地下埋管中應(yīng)用廣泛[1-3]。作為內(nèi)伸的加強構(gòu)件,肋板的體形設(shè)計已經(jīng)得到了較多的關(guān)注；劉沛清等探討了肋寬比對岔管水力特性的影響[4],為肋板設(shè)計中肋寬比的確定提供了更為可靠的依據(jù)；謝冠峰等分析了不同月牙肋板厚度對岔管整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響,提出了優(yōu)化的肋板結(jié)構(gòu)尺寸[5]；杜芳琴等比較分析了有限元計算中肋板不同單元類型和網(wǎng)格疏密對應(yīng)力計算結(jié)果的影響[6],使得月牙肋岔管有限元分析更加精確和先進(jìn)。但上述研究僅關(guān)注了肋寬比、肋板厚度及肋板有限元網(wǎng)格剖分對計算結(jié)果的影響,而忽略了肋板形狀對于月牙肋鋼岔管應(yīng)力的影響。

事實上，月牙肋肋板形式多樣,在水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范[7]中,肋板內(nèi)緣線一般為拋物線,亦可采用橢圓曲線的形式；肋板外緣線一般以相貫線為基礎(chǔ)向管殼外適當(dāng)偏移等寬距離,以滿足管殼與肋板焊縫的要求。但在部分設(shè)計院所采用的月牙肋岔管體形中,肋板外緣線會在相貫線的基礎(chǔ)上,向管殼外偏移不等寬距離[8],以達(dá)到改善月牙肋肋板頂?shù)锥司植繎?yīng)力的目的。

表1 岔管不同分岔角方案主要體形參數(shù)

注：1)表中所列管壁厚度分別為基本錐、過渡錐和直管段管壁厚度；2)表中正常運行工況計算時,岔管管壁厚度應(yīng)扣除2mm的銹蝕厚度．

在以往的水電站月牙肋鋼岔管設(shè)計中,當(dāng)肋板曲線采用規(guī)范上所推薦的內(nèi)緣曲線為拋物線,外緣曲線在相貫線基礎(chǔ)上偏移等寬距離時,肋板等效應(yīng)力的最大值一般出現(xiàn)在水平最大截面的內(nèi)側(cè)。如果肋板內(nèi)外緣曲線采用有別于規(guī)范推薦的曲線,肋板應(yīng)力分布規(guī)律及對鋼岔管管殼應(yīng)力的影響如何,目前文獻(xiàn)中尚未見到相關(guān)研究成果。為此，本文以某水電站為例,采用自主研發(fā)的月牙肋岔管體形設(shè)計程序[9]和ANSYS軟件，針對采用不同分岔角的月牙肋岔管,分析討論了不同肋板形狀對肋板應(yīng)力分布及管殼應(yīng)力的影響。

2 岔管設(shè)計參數(shù)

某水電站輸水發(fā)電系統(tǒng)壓力管道采用一管兩機(jī)的布置形式,岔管中心距廠房上游邊墻的垂直距離約為77.5 m,采用對稱“Y”形內(nèi)加強月牙肋岔管結(jié)構(gòu)。岔管前主管管徑5.8 m,岔管后支管管徑4.1 m,設(shè)計內(nèi)水壓力3.0 MPa,按鋼岔管單獨承載進(jìn)行設(shè)計計算。

岔管設(shè)計在結(jié)構(gòu)上應(yīng)使岔管結(jié)構(gòu)能有足夠的安全度,水力學(xué)上做到水流盡量平順、水力損失最小[10]。

圖1 岔管體形圖(單位：mm)

經(jīng)初步研究,采用不同分岔角時,滿足鋼材抗力限值要求的岔管主要體形參數(shù)見表1。以分岔角70°的岔管為例,體形如圖1所示。

3 岔管模型及計算方案

按照水電站鋼岔管的受力條件,假定模型在主管和支管端部取固端全約束,為了盡量減小約束端對岔管應(yīng)力的影響,主、支管段軸線長度從公切球球心向上下游分別取最大公切球直徑的1.5倍左右。本文采用自行研制的月牙肋岔管體形設(shè)計程序,在程序設(shè)置中鋼岔管和月牙肋網(wǎng)格剖分全部采用ANSYS中SHELL63板殼單元模擬,計算網(wǎng)格及關(guān)鍵點如圖2所示。

圖2 岔管計算網(wǎng)格及關(guān)鍵點示意

圖3 肋板體形示意

月牙肋肋板形狀取決于肋板外緣曲線及內(nèi)緣曲線的選取。肋板外緣曲線一般為橢圓曲線,有兩種選取方式,一是在管殼與肋板相貫線的基礎(chǔ)上向外偏移相同寬度,與相貫線一樣均為具有一定偏心的橢圓曲線,如圖3a所示的橢圓曲線①；二是向外偏移寬度不相同,采用圖3a所示的1/4橢圓曲線②。內(nèi)緣曲線則分為拋物線與橢圓曲線兩種,以分岔角70°的岔管為例,肋板體形如圖3b所示。

針對不同分岔角,選取不同的肋板形狀,具體方案如表2所示。表中X,Y方向與圖3中坐標(biāo)方向一致。

表2 不同肋板形狀方案體形參數(shù)

4 肋板形狀對管殼應(yīng)力的影響分析

根據(jù)有限元計算結(jié)果,各方案岔管管殼外表面、中面和內(nèi)表面各關(guān)鍵點的等效應(yīng)力如表3所示。由表3可知：

(1)各方案管殼中面最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在主、支管基本錐管節(jié)的母線轉(zhuǎn)折C點,肋板內(nèi)外緣形狀對C點數(shù)值影響不大。

(2)各方案管殼外表面最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在主支管相貫線頂點附近的D點,其中各方案數(shù)值相差不到1%,則肋板形狀對D點管殼應(yīng)力影響很小。

(3)管殼內(nèi)表面最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在與肋板相連的B點,其中若只考慮肋板內(nèi)緣形狀,橢圓曲線方案B點應(yīng)力可比拋物線方案降低不到2%；而肋板外緣形狀對B點應(yīng)力的影響同樣不到2%。

總體來看,當(dāng)分岔角和岔管體形相同的情況下,肋板內(nèi)緣形狀為橢圓曲線的方案,管殼中面及表面的最大應(yīng)力值在一定程度上有所減??；對于肋板外緣形狀,不同方案下遠(yuǎn)離肋板的管殼C、D點應(yīng)力值差別不大,但對與肋板相連的A、B點略有影響。

5 肋板形狀對其自身應(yīng)力的影響分析

根據(jù)有限元計算結(jié)果,整理了各方案肋板關(guān)鍵點的等效應(yīng)力如表4所示,同時將分岔角70°情況下4個肋板方案的等效應(yīng)力分布如圖4所示。

由表4和圖4可知：

(1)各方案不同肋板曲線(內(nèi)緣線,相貫線及外緣線)上的關(guān)鍵點,隨著角度由0°變化到90°,應(yīng)力值逐步減小。其中,最大值均出現(xiàn)在肋板水平最大界面的內(nèi)緣0°-1點,對比可知,肋板內(nèi)緣形狀為橢圓曲線,外緣形狀為偏移不等寬橢圓曲線②的方案應(yīng)力值最小。

表3 岔管管殼關(guān)鍵點等效應(yīng)力值 MPa

圖4 肋板等效應(yīng)力分布(單位：MPa)

(2)在水平0°截面上,當(dāng)肋板外緣曲線相同時,如果內(nèi)緣曲線為拋物線,點1應(yīng)力明顯大于點2、3,截面應(yīng)力分布很不均勻；如果內(nèi)緣曲線為橢圓曲線,點1的應(yīng)力降低,而點2、3的應(yīng)力增加,截面應(yīng)力分布漸趨均勻。當(dāng)肋板內(nèi)緣曲線相同,外緣曲線為偏移不等寬的橢圓曲線②時,點1應(yīng)力值較小,截面應(yīng)力分布更加均勻。

(3)在45°截面上,當(dāng)肋板外緣曲線相同時,由于內(nèi)緣為橢圓形的肋板寬度小于拋物線方案,因此該截面上點1、2的應(yīng)力值均呈現(xiàn)出內(nèi)緣橢圓曲線方案數(shù)值較大、拋物線方案較小的分布規(guī)律；當(dāng)肋板內(nèi)緣曲線相同時,外緣曲線為偏移等寬的橢圓曲線①方案的肋板寬度小于偏移不等寬方案,因此該截面上點1、2、3的應(yīng)力值均呈現(xiàn)出偏移等寬方案數(shù)值較大、偏移不等寬方案較小的分布規(guī)律,并且在點3處,應(yīng)力值下降尤其明顯。

(4)在90°截面上,肋板各關(guān)鍵點的應(yīng)力值整體均較小；內(nèi)緣形狀為橢圓曲線、外緣形狀為偏移不等寬時,數(shù)值相對較大,主要由于此時肋板寬度較為狹窄。

總體來看,肋板內(nèi)緣采用橢圓曲線,外緣采用1/4橢圓曲線的A4、B4、C4方案時肋板受力狀況最好。

6 結(jié) 論

(1)在給定分岔角和體形的情況下,岔管管殼的最大應(yīng)力值受肋板形狀的影響較小,其中內(nèi)緣為橢圓曲線時,管殼中面及表面的最大應(yīng)力值均最小。

(2)肋板內(nèi)緣形狀為橢圓曲線時,肋板最大截面處內(nèi)緣的最大應(yīng)力值比拋物線方案小,且肋板水平截面上的應(yīng)力分布更加均勻,這主要是由于內(nèi)緣橢圓形曲線曲率較小,減小了應(yīng)力集中。肋板外緣形狀為偏移不等寬的1/4橢圓曲線時,肋板最大截面內(nèi)緣處的最大應(yīng)力值比偏移等寬方案更小,且肋板水平截面上的應(yīng)力分布更加均勻。

(3)月牙肋岔管在進(jìn)行體形設(shè)計時,建議肋板內(nèi)緣采用橢圓曲線,外緣曲線采用相對于相貫線偏移不等寬的1/4橢圓曲線,不僅能夠使肋板最大截面內(nèi)緣處的最大應(yīng)力值降低,同時也使整個肋板應(yīng)力分布更加均勻,有利于發(fā)揮鋼材的作用。

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(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Effect Study of Rib Shape on the Stress of Crescent-rib Reinforced Branch Pipe

HU Xinzhi, WU Hegao, SHI Changzheng, SU Kai

(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University,Wuhan 430072, Hubei, China)

For an actual hydropower station, the shape of rib reinforced bifurcated pipe is designed by a self-developed program for rib reinforced bifurcation design and ANSYS. The results of each rib scheme under given bifurcated angles are obtained by 3-D finite element method, and the influences of different rib shapes on the stress distribution of rib and shell are discussed. The results show that the maximum stress of shell is smaller in the scheme with an elliptic inner edge curve of rib, the maximum stress on horizontal cross-section of rib which has an elliptic inner edge curve and the outer edge curve of unequal width offset relative to intersecting line is smaller. At the same time, this rib shape can make the stress of rib distribute more evenly, so it is useful for steel to bearing loads．

crescent-rib reinforced branch pipe; shape design; rib shape; shell; rib; FEM; stress

2016- 05- 08

國家自然科學(xué)基金資助項目(51179141,51409194)

胡馨之(1992—),女,陜西西鄉(xiāng)人,碩士研究生,研究方向為水電站壓力管道；伍鶴皋(通訊作者)．

TV732.43

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0559- 9342(2017)03- 0049- 05