杜英奎,蒋逵超,王春江,王志国,王建华
(中国水电顾问集团北京勘测设计研究院,北京 100024)
月牙肋钢岔管由于具有受力明确合理、设计方便、水流流态好、水头损失小、结构可靠、制作安装容易等特点,在国内外大中型常规和抽水蓄能电站中得到广泛的应用,但其设计方法和手段仍以人工计算和人工制图为主,效率比较低。尽管月牙助岔管结构比较复杂,且体形优化时需进行大量重复计算工作,但计算理论和方法比较成熟,非常适合进行计算机程序化。因此,针对月牙肋钢岔管这种被广泛采用的特殊结构,寻求一种经济合理、实用方便、快捷高效的设计理论、方法和手段,实现其设计自动化是十分迫切和必要的。
月牙肋岔管计算机自动化设计系统,将自动实现 “从设计方案确定到撰写设计报告”的全部设计活动,包括方案优选、体形优化、应力分析、质量计算以及体形图、展开图的绘制等。月牙肋钢岔管自动化设计系统的模块如图1所示,该系统包括四大模块:①结构优化模块。自动确定最佳体形和最优结构尺寸。②结构分析模块。根据设计规范,自动完成结构强度和刚度分析,包括结构力学法和有限单元法。③图形开发模块。根据体形优化结果,自动生成体形图和管节展开图等。④自动设计报告生成和编辑模块。根据以上各模块分析成果,自动生成设计报告。
图1 月牙肋钢岔管自动化设计系统模块
月牙肋钢岔管自动化设计系统根据用户输入的优化参数,调用结构优化分析模块进行结构解析法优化。如优化结果不理想就调整优化参数重新优化,如优化结果合理,则调用结构分析模块进行结构有限元分析,输出中间成果。如中间成果不理想则调整设计参数重新进行设计,如中间成果合理,则系统将调用自动成图模块和自动生成报告模块生成图纸和报告。自动化设计系统框图如图2所示。
图2 月牙肋钢岔管自动化设计系统框图
根据月牙肋岔管设计的具体情况,本文采用混合离散变量优化法。离散变量优化方法是在有限的离散点上进行搜索计算,从而降低优化风险,加快优化计算速度。在优化过程中,结构分析方法均采用解析法。系统确定出适宜的优化变量,建立合理的约束条件,以钢材用量最省为目标函数进行优化。
3.1.1 目标函数
月牙肋钢岔管为钢制结构,优化过程中以钢材的质量为优化目标,目标函数为:
式中,f(x)为钢材质量,t;V1为岔管钢材的体积,m3;V2为加强肋钢材的体积,m3;ρ为钢材的密度,t/m3。
3.1.2 约束条件
(1)强度约束条件。根据规范对岔管进行结构分析,并求出相应的应力,采用承载能力极限状态进行设计。由此得岔管管壁和加强肋的应力约束条件:
式中,σ为校核点的应力;σR为钢材的抗力限值。按式(2),岔管管体的膜应力和局部应力各有18个强度检测点;加强肋为对称结构,由肋板顶部至水平截面将其均分为10等份,共11个截面,以各截面的平均正应力校核强度。由此,岔管管体和加强肋的强度约束函数共有47个。
(2)几何约束条件。几何约束条件是为了保证结构的合理性、使用性及施工要求。主要考虑以下几点:保证设计变量和几何尺寸满足规范和设计要求,如转折角、管节长度等均要满足规范;保证结构几何关系协调一致;保证岔管体形和加强肋满足施工要求。由以上三点得到的几何约束条件共有37个。
根据月牙肋钢岔管的结构特性和受力规律,研制了专用有限元分析程序。在岔管结构复核过程中,程序能够自动完成有限元网格离散化,并自动生成有限元计算所需的数据文件。计算包括正常运行和水压试验两种工况。
在进行三维有限元结构分析时,采用8节点固体单元模拟肋板,采用4节点壳单元模拟管壳。管壁单元网格自动剖分时,只需给定主管相贯锥的切割份数,其他各支管各管节的环向切割份数均按单元节点连续的原则由程序自动确定;所有支管各管节沿管轴线的切割份数在保证单元网格边长基本相当的前提下由程序自动确定。程序自动确定了各管节的环向和轴向切割份数后,自动计算节点坐标和单元编号。
系统以FORTRAN语言为母体编程语言进行程序设计,FORTRAN程序的运行结果生成绘图的Visual LISP程序,用户在AutoCAD环境下运行Visual LISP程序,即可生成用户所需要的图形。
系统的 “自动撰写报告”模块,通过程序设计的方法,结合数据库技术、AutoCAD接口、Microsoft Word接口,依托预先排版完毕的报告模板,实现了动态文字自动填写、表格数据自动填写及自动根据需要完成插图的功能。
设计报告自动撰写模块主要由报告模板、计算结果读取模块、数据表格填写模块及AutoCAD图形文件处理(插图处理)模块几个部分组成。
设计报告自动撰写模块通过主控程序将数据库、Microsoft Word、AutoCAD三大部分结合为一个整体。模块建立在.NET框架基础之上,通过.NET框架提供的大量基础类及部分自主开发的专用类实现了对Word文档、AutoCAD图形的控制,结合报告模板将存放在数据库中的计算结果、文字和AutoCAD图形文件,按实际需要添加到报告文档中,从而实现自动生成设计报告的功能。模块数据流示意如图3所示。
图3 模块数据流示意
本文以山西西龙池抽水蓄能电站岔管段为例。西龙池抽水蓄能电站位于山西省忻州地区五台县,总装机容量为4×30万kW。岔管采用对称Y形内加强月牙肋钢岔管,考虑水击压力,设计内水压力10.15 MPa。主管管径3.5 m,支管管径2.5 m,PD值3552 m2,属高水头、大PD值的巨型岔管。岔管拟采用进口钢材,主、支锥管壳材料采用日本钢材SHY685NS2F,肋板材料采用日本钢材SUMITEN780Z。
在通过参数输入、体形优化、有限元计算等步骤,并通过AutoCAD自动生成了设计图后,系统根据用户定制的任务,将这些数据、图形组织成设计报告。本算例通过本系统自动生成报告63页,包括文字约2万个、插图26幅、表格22个。系统自动生成的体形图和展开图符合相关制图规范的要求。
经过本系统优化后岔管最大管壁厚度为64 mm,质量为25.74 t,相比于初步明管设计的最大管壁厚度68 mm,质量28.68 t,最大板材的厚度以及材料质量均有一定程度降低;优化后的体形经有限元复核认为:整个岔管结构仍处于弹性工作阶段,未进入塑性,并且在膜应力区和局部应力区都小于各自的抗力限值。
内加强月牙肋岔管计算机自动化设计系统以DL/T 5141—2001《水电站压力钢管设计规范》为依据,通过输入控制参数自动进行体形设计、解析法优化、有限元结构复核等体形设计和计算复核工作,并能自动生成钢岔管体形图、管节展开图(DWG格式)和设计报告(DOC格式),全面实现了月牙肋岔管的科学化、标准化、智能化、自动化设计,使用简单,易于操作,人机界面友好。与常规设计相比,系统可极大提高工作效率,节省人力资源,并有效提高岔管优化程度,节省钢材用量,降低制造难度。通过以西龙池抽水蓄能电站岔管段为例进行了验证,其设计成果与原设计成果相符,表明系统具有正确性和可靠性。
目前,系统已经在云南天花板、印度尼西亚阿萨汉水电站等工程设计中得到成功应用,可以在水电工程中推广应用。
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