基于ANSYS的泄流洞鋼管連接段有限元分析

2021-06-01 07:00:28韓少玄

水利規(guī)劃與設(shè)計 2021年5期

韓少玄

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

壓力鋼管是水工建筑物中常見的輸水建筑物，主要承擔一些重要用水設(shè)備的輸水、引水、泄水任務(wù)。隨著國內(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[3]。

壓力鋼管的穩(wěn)定性計算目前多采用規(guī)范中的經(jīng)驗或半經(jīng)驗半理論公式法，由于這些公式或是在模型試驗的基礎(chǔ)上建立起來的，或是通過一定的假設(shè)來分析計算的，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化方法各不一樣，計算結(jié)果也會有較大差異。因此，這些方法的應(yīng)用范圍非常受限，國內(nèi)外與壓力管道設(shè)計的理論方法相應(yīng)的研究成果非常缺乏[3]。

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

1 工程概況

羌姆溪水電站位于伊朗伊斯蘭共和國的zohreh河中下游，是一個用于防洪、發(fā)電、蓄水的樞紐工程，同時具備改善水生態(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臺機組，包括3臺大機組和2臺小機組，總裝機容量為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。連接段邊界條件復雜，受力不明確，且屬于薄弱部位，常規(guī)計算方法具有很大受限性。因此，本文采用ANSYS進行有限元分析。

圖1 連接布置示意圖

2 設(shè)計參數(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級高強鋼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級高強鋼彈性模量為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)計值見表1。

表1 連接段荷載種類及設(shè)計值單位：MPa

2.3 荷載組合

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

表2 連接段計算工況及安全系數(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—鋼材屈服強度下限值；c—安全系數(shù)。

管殼轉(zhuǎn)折點和管殼與加勁環(huán)連接部位的強度校核按局部應(yīng)力考慮；加勁環(huán)的強度校核按局部應(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)計安全角度及簡化模型方便計算考慮，本文計算過程不考慮圍巖對漸變段的聯(lián)合承載作用，全部按鋼管單獨承載考慮。漸變段加勁環(huán)選用610MPa級高強鋼，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。

為了能夠模擬實際情況，考慮部分漸變段及主體鋼管整體建模。計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)計算精度，一般精度越高，計算結(jié)果越接近于真實值，但計算過程耗時越久，可根據(jù)實際情況進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系坐標(x，y，z)下，xoy面為水平面，豎直方向為z軸，向上為正，坐標系成右手螺旋，坐標原點位于漸變段上游的方形進口斷面軸線處。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)格精度進行有限元網(wǎng)格劃分。

(4)施加荷載并進行求解。

(5)對結(jié)果進行分析。如結(jié)果不滿足要求應(yīng)對模型及參數(shù)、網(wǎng)格精度進行修改調(diào)整，再進行計算。

3.2 應(yīng)力計算

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

(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。

從以上計算結(jié)果及云圖可以看出，各計算工況下，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應(yīng)的允許應(yīng)力；計算位移值均比較小，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)計尺寸在各計算工況下均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。