地下埋管承受内压稳定分析

兰素红

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)



地下埋管承受内压稳定分析

兰素红

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

[摘要]地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种压力管道，这种管道布置灵活，能和围岩共同承担水压力，并且运行不受干扰，维护简单。众多的优点使得地下埋管的研究设计越来越受到关注，对于地下埋管，钢衬承受内压时的强度设计是一大重点。本文结合某水电站地下埋管的实际工程资料，按照钢衬和围岩联合承载的原则对地下埋管上斜段进行强度设计，以确定钢衬的厚度、加劲环间距及尺寸。然后利用ANSYS软件进行有限元结构分析，得到钢衬在内压下的应力应变状态。结果通过地下埋管三维有限元模型分析与用理论方法所求得出的环向正应力相差无几，在添加加劲环后，在外压作用下，埋管也能满足稳定要求，所以设计满足所以要求。

[关键词]地下埋管；强度设计；ANSYS；

1有限元方法

1.1ansys有限元分析法介绍

ANSYS有限元分析法就是基于ANSYS软件中的line等命令来建立keypoint和node的一种数学分析计算软件，对广大的用户以及广大的水工设计者们来说无疑是一个福音，利用ANSYS软件来做水工设计，不但可以大大的提高设计速度，还可以有效的提高设计准确率，ANSYS计算能力强、操作简捷是广大用户喜欢的原因。总的来说，ANSYS有限元分析主要有以下三种方法。

1.1.1位移法

位移法是在节点上建立平衡方程，以每个节点的位移量来做为基本未知量。这种方法是一般用户和程序设计员都比较喜欢的，因为它的逻辑性比较强，易于实现大规模程序解题。

1.1.2力法

力法也是通过在节点上建立平衡方程，但基本未知量是节点上的力而不是节点上的位移。这种以结构力学中力法为基础的分析方法，在精确度上是位移法远远比不上的，缺点是不易于APDL的实现。

1.1.3混合法

混合法就是取位移法和力法的优点，结合二者的基本理论以求在解题中同时实现位移法的流畅和力法的精确。

1.2结构离散化

所谓结构离散化是指将结构根据实际情况分解成若干个相互直接通过节点连接的小单元，这是实现有限元法分析的基础性步骤，对于计算精度和计算效率有着非常大的影响，而结构分解主要包含以下三个方面：

(1)在结构离散化的过程之前要确定即将分解的单元的类型，一般涵盖单元形状、单元节点数以及节点自由度三个方面的内容。

(2)在确定了单元类型之后就要根据原有结构进行单元的划分，这个过程中应该着重考虑首先是计算的精度，这与节点的多少有着很大的关系，网格划分的越细，所分格出来的几点也就越多，计算的精度也就越高。但是这种正比的趋势并不能够无限进行，在网格加密程度提高到一定水准之后，计算精度的提高程度明显降低；其次就是分格单元的形状问题，一般选择以接近正多边形或正多面形的形状为宜，如果选型为矩阵单元则要尽量的减小长边和短边的差值，而如果是三角形，则要保证三角形单元的三条边尽可能接近，且夹角尽量保持为非钝角；再次就是要单元之间的节点要相互对应，尽量避免节点与另一单元的边界相连接；再次相同单元在材料方面要保持一致性；最后要保持网格划分的规律性，以便计算机能够自动识别后自动形成网格。

c.节点编码。

1.3单元分析

通过对单元的力学分析建立单元刚度矩阵[K](e)

[K](e)是由单元节点位移量{Φ}(e)求单元节点力向量{F}(e)的转移矩阵，其关系式为{F}(e)=[K](e){Φ}(e)。

1.4整体分析

整体分析包括以下几方面内容：

(1)集成整体节点载荷向量P。结构离散化后，单元之间通过节点传递力，所以有限元法在结构分析中只采用节点荷载，所有作用在单元上的集中力、体积力与表面力都必须静力等效的移置到节点上去，形成等效节点载荷。最后，将所有节点荷载按照整体节点编码顺序组集成整体节点载荷向量。

(2)集成总体刚度矩阵[K]，得到总体平衡方程。总体刚度矩阵[K]是由整体节点位移向量{Φ}求整体节点力向量{F}的转移矩阵，其关系式为{F}=[K]{Φ}，此即为总体平衡方程。

(3)引进边界约束条件，解总体平衡方程，求出节点位移。

(4)求出各单元内的应力和应变。

1.5ansys有限元应用分析的步骤

ANSYS 典型的分析过程可分为四个主要步骤：

(1)前处理PEPP7(General Preprocessor)：创建或读入有限元模型，建立有限元模型所需要输入的资料，如节点坐标、单元内节点排列次序等；定义材料属性；划分网格。

(2)求解SOLU(Solution Processor)：施加荷载、设定约束条件、求解。

(3)一般后处理POST1(General Postprocessor) 或时间历程后处理POST26 (Time Domain Postprocessor)

POST1处理方式主要用于静态结构模态以及屈曲的分析，根据求解结果的分析信息以及其中中反映出来的反作用力、变形、应变以及应力等信息绘制相应的分析曲线。而POST26多用于动态结构的分析，主要处理求解结果与时间相关的时域。

(4)结果处理。在结果处理的过程中一定要给予检验结果以高度的重视，对检验结果进行认真的检查，重点分析检验结果的正确性和合理性，如果结果显示的误差在郧西的范围之内，则表明所分析的问题得到了合理的解决，而如果结果显示的误差与实际工程系统的误差相比过大，则就要根据实际情况制定相应的分析改进方案，重回当前的处理进行分析。

命令流方式是ANSYS 除GUI(图形操作界面)外的另一种分析方式，所谓命令流也可以称之为参数化设计编程(ANSYS Parametric Design Language, APDL)，这种分析方式是以高级程序的语法为规则设计ANSYS参数，包括数的定义、数学表达式、分支及循环等。这种以参数化变量方式为基础而建立的分析模型更加具有自由性，能够让用户通过智能化的分析手段自动的完成有限元分析过程，是ANSYS 进行二次开发的工具之一。

1.6应用ansys应力分析

1.6.1采用点点接触建立模型如图1

图1　点点接触

1.6.2单元类型

1)壳体单元(shell63)：半径2.9 m，沿管轴线方向取10 m。网格沿圆周划分36等份，沿轴线方向划分20等份。如图2。

图2　钢衬网格划分图

2)接触单元(contac52)：其中接触单元的偏移量为0.1 m。刚度系数Kn为53.5N/m，缝隙值GAP=0。如图2。

1.6.3坐标系选取

选取全局笛卡尔坐标系，以管道的中心为坐标原点，沿管轴线为Z轴; X轴和Y轴位于管道横截面内，水平向右为X轴正向;Y轴为铅直向，向上为正。

1.6.4约束条件

外接触点上加全约束，前后断面加法向约束。

1.6.5荷载

钢衬内表面施加沿圆周方向的梯度荷载，梯度大小为-9 800 N/mm2，中心点的水头为145.3 m，此外，整体受到重力作用，约束与荷载如图3。

图3　施加约束与荷载的模型

图4　钢衬应力求解图

1.6.6求解模型，结果如图4

由图4可知，钢衬环向应力为153 Mpa。

代入理论公式，计算环向应力值：

可见理论值与有限元分析值仅差4Mpa,满足设计要求。

2结语

根据以上计算和分析，可以得到如下几点结论：

(1)在地下埋管的建模中，所采用的是点点接触的模型，并没有采用埋管、回填混凝土、围岩这三个单元的组合，主要是因为考虑到回填混凝土开裂后即退出承载，其径向应力变为0，而ansys中的混凝土单元concret65并不满足要求，会使有限元计算结果和理论计算结果产生较大的偏差。另外，在用ansys进行分析时，将缝隙值设为0，也是为了简化模型的计算。但总的来说，有限元计算和理论计算之间差值较小，满足设计的要求。

(2)综前所述，本工程地下埋管部分的钢管壁厚度主要取决于外水压力值，这样就决定了排水设施在本工程地下埋管设计以及施工过程中的重要性，通过排水系统埋管所承受的压力值能够得到非常有效的降低，这也就减少了外水对于钢管的压力，提高了系统的安全性。与此同时，由于本工程一定的特殊性，在运行期和检修期中还要做好钢管外水压以及地下水的监测工作，认真分析监测值，对于存在的问题要及时处理和解决，以保证管道运行的安全性。

参考文献

[1]黄涛,李生庆.地下埋管抗外压稳定分析[J].四川水力发电.2013(4).

[收稿日期]2015-07-31

[作者简介]兰素红(1974-)，女，四川青神人，工程师，主要从事水利运行管理工作。

[中图分类号]TU441+.35

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)01-0158-02