埋藏式月牙肋岔管辅助设计系统开发与应用

申显柱，李水生，鲍 伟，张 凯

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

在水利水电工程中，月牙肋岔管具有受力明确合理、设计方便、水流流态好、水头损失小、结构可靠、制作安装容易等优点，故被广泛采用。月牙肋岔管传统的设计流程：①结合主支管参数，依据规范及设计经验采用AutoCAD初拟月牙肋岔管体型参数；②采用Excel表格按照结构力学的方法进行结构计算验证；③根据计算结果调整体型后再进行结构计算，直至体型设计及结构计算均满足要求；④对于重要的工程尚需有限元法进行计算分析；⑤最后采用AutoCAD绘制二维图和采用Word编写结构计算书。

实践表明，因为月牙肋岔管结构较复杂，传统设计过程以人工为主，设计过程时间长、易出错、步骤多、内容繁琐，所以体型参数设计、结构计算分析和二维施工图绘制一直是设计工作中最耗工时的。虽然结构设计、有限元计算等有相关的计算软件，但是整体设计的自动化程度不高，反复计算和调整体型的工作量很大；工程制图也是使用AutoCAD人工绘制，然后人工编写结构计算书。

本文提供了一种基于Catia-V5三维软件设计平台的埋藏式月牙肋岔管体型设计、结构计算、编写计算书、工程制图等全过程辅助设计系统，能快速、自动化和规范化的完成月牙肋岔管设计工作，从而提高了生产效率和设计质量，且降低了月牙肋岔管的设计难度。月牙肋岔管结构计算编程及自动编写计算书功能主要依托Visual Basic6.0软件，参数化三维模板制作及二维图绘制功能主要依托Catia-V5软件，围岩和岔管联合承载有限元计算方法功能主要依托Ansys和Hypermesh等软件进行开发。月牙肋岔管结构型式有对称Y形岔管和非对称Y形岔管，因篇幅有限，仅针对对称Y形岔管并考虑钢管与回填混凝土之间脱空情况进行阐述。月牙肋岔管设计技术路线流程如图1所示。

1 结构计算编程及自动编写计算书

1.1 编程依据及计算内容

按结构力学法，以SL 281—2003《水电站压力铜管设计规范》[1]为依据，利用VB6.0语言进行编程，实现月牙肋岔管选材、体型设计、结构计算及自动编写标准化计算书的功能，并包含岔管结构计算程序结果与Catia-V5三维模板的链接功能。

1.2 界面设计及成果展示

(1)首先必须按照预先给定的用户名及密码登录软件界面，如图2所示，确保了软件的安全性。

(2)然后进入到具体的岔管几何参数输入界面，依次点击左边计算树中的各模块，如图3所示，体型参数输入→物理参数输入→工况荷载输入→应力计算参数→结构应力计算。

图3 计算参数输入界面

(3)最后点击“结果输出”可以进入到计算结果输出界面，本软件提供了两种结果输出方式，一种是以Word算稿的型式进行输出，如图4所示，另外一种是以三维软件Catia-V5的型式输出三维空间结构，如图5所示。

图4 Word格式文件输出界面

图5 Catia三维格式文件输出界面

综上所述，月牙肋岔管程序计算软件可以方便地实现结构计算，并且还可以生成相应的标准化计算书和Catia-V5的三维初步模型，和传统的Excel表格计算和人工编写Word计算书相比较，不仅降低了表格计算的错误率，而且减少了计算书编写中的许多重复工作，从而有效地提高了工作效率。

2 参数化三维模板制作及二维图绘制

2.1 主要研究目的及内容

2.1.1研究目的

基于Catia-V5创建满足设计要求的参数化模板，并与牙肋岔管结构计算编程模块成果自动链接和更新，再通过局部调整其他参数，最后形成三维效果图展示、绘制二维图和计算工程量，同时也将Catia-V5结构模型导入Ansys中完成网格划分工作。

2.1.2模板制作内容

月牙肋岔管三维模板制作以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，实现参数化、标准化及模板化设计，包括体形设计和管节展开。模板文件分别为有限元计算模型和管节展开模型。

2.1.3模板制作思路

(1)利用Catia-V5的参数化设计和知识工程功能，建模时将相关的设计参数提取出来，放在模型树中，定义参数名称以便参数化设计，只要更改模型树中的参数，就可以很容易地更新模型。(2)将规范中的限制性条件写成规则，由软件自动判断岔管的体型参数是否满足规范要求。(3)利用Catia-V5工程制图模块快速将岔管管节展开图投影生成平面线框图，以方便岔管施工图绘制。

2.2 三维模板制作及成果展示

月牙肋岔管模板建模过程：规划岔管的结构分解→参数规划→草图绘制→三锥体中间面建模→肋板中间面建模→生成实体模型→有限元模型→出图模型→知识工程。

主要成果有三锥体的曲面(钢管中间面)如图6所示，三维模型如图7所示，二维图如图8所示。

图6 对称月牙肋岔管三锥体曲面

图7 对称月牙肋岔管三维模型图

图8 对称月牙肋岔管二维图

综上所述，采用传统设计方法进行月牙肋岔管设计时，体型设计几乎都采用数解法，即通过已经定型的公式来计算岔管各点坐标、参数等，从而最后绘出岔管几何体型。但利用Catia-V5软件的参数化建模技术进行月牙肋岔管设计，具有准确、快速、直观、修改方便等优点，减少了设计者工作量和人为计算误差，提高了设计效率和质量。

3 围岩和岔管联合承载有限元计算方法

3.1 研究目的及计算原则

3.1.1研究目的

由Catia-V5参数化模板生成有限元模型后，利用Ansys等软件进行有限元分析计算，掌握围岩和岔管联合承载有限元计算理论及方法。

3.1.2计算原则

以有限元计算软件Ansys作为主要平台，辅以Hypermesh软件进行相关处理。考虑围岩分担内水压力，考虑钢管与回填混凝土之间脱空。计算过程中岔管管壁基于薄壁理论假设采用壳单元进行模拟，围岩作用采用弹性抗力系数来简化计算，围岩与管壁之间相互作用采用接触单元进行模拟。

3.2 围岩和岔管联合承载有限元计算方法

3.2.1埋藏式月牙肋岔管的模拟方法

当需要考虑钢衬与回填混凝土之间脱空时，裂缝的宽度和管道直径在尺寸上的巨大量级差异给有限元计算带来了困难。针对地下埋管计算中山体网格划分工作量大的问题，经过研究使用壳单元和点对点接触单元的方法来模拟地下埋管的方法。这种简化方式避免了对山体的网格划分，提高了计算效率。原理简图如图9所示，接触单元的受力特性曲线如图10所示。

图9 混凝土与岔管接触单元示意图

图10 接触单元应力应变关系

第一步：利用前处理软件Hypermesh划分岔管本身网格，将其导入Ansys软件。第二步：施加边界条件(最外边使用全约束边界)。第三步：利用提供的APDL代码施加围岩边界条件，并进行计算。

3.2.2边界条件及有限元网格划分相关要求

计算范围选取原则：模型的截断边界要求距离岔管不少于一倍的公切球直径，靠近岔管(管径范围内)管节要求模拟其体型。远离岔管核心区域的钢管端部采用全约束边界条件。

网格划分：岔管的有限元网格划分通常分为两个部分，一部分为月牙肋的网格，另一部分为岔管主体的网格划分。钢管相对较薄，在有限元计算中使用壳单元来模拟；肋板相对较厚，且肋板对平面外应力有一定要求，在计算过程中使用实体单元进行模拟。由于模型中同时存在壳单元和实体单元，在设置单元大小时候应满足壳单元的薄壳假设，尽量避免剪切自锁现象。肋板基本不承平面外受弯矩作用，并且考虑到网格质量问题，在网格划分过程中为避免肋板单元长宽比失衡，在厚度方向仅布置一层单元。管壁网格示意图如图11所示。

图11 管壁网格示意图

围岩约束条件：围岩约束条件采用围岩弹性抗力系数来模拟。每个节点上对应的接触刚度为k=f×A，f为围岩弹性抗力系数；A为节点的特征面积。由于有限元网格在离散过程中不能保证每个节点代表的面积完全相同，且各个接触单元方向不同，围岩约束条件手动施加实现难度较大。实施过程中使用Ansys的内部APDL编程语言进行编程实现围岩约束条件的施加。

综上所述，随着国内水电事业的发展，压力钢管HD值越来越大，如何减小钢板厚度，降低制造安装难度，已经成为了比较突出的问题。除了优化岔管体型及提高钢材强度之外，对于地下埋管来说，合理利用围岩的承载能力也是一个重要的措施，本节内容针对埋藏式月牙肋岔管的有限元计算分析方法进行了说明，以期为设计人员提供参考。

4 工程实例

4.1 结构计算

(1)基本情况

结合石垭子水电站[2]埋藏式月牙肋岔管进行实例验证，钢管由直径为5.7m的主管经对称Y形月牙肋岔管后分岔为两条直径3.9m的支管，管外回填C20素混凝土。原设计过程中，岔管处钢管承担140.0m内压，综合考虑各方面因素，假设围岩分担35.36m内压，围岩分担率20.16%。钢材采用Q345R，外水压力30m。

(2)计算结果

岔管结构分岔角65°，管壁计算厚度30mm，肋板厚度68mm，主管半径2866mm，支管半径1966mm。公切球半径3150mm，支管腰线转角15°，主管腰线转角10°。加劲环尺寸采用130×22mm，间距为1000mm。

采用本文结构计算编程软件，计算成果及结论：管壁膜应力151.02MPa，主锥与支岔锥连接处的边缘应力207.69MPa，主锥与主管连接处的边缘应力239.03MPa，支岔锥与支管连接处的边缘应力203.71MPa，肋板正应力96.87MPa，剪应力64.24MPa，第一主应力128.88MPa，第二主应力-32.02MPa，强度及应力校核满足要求。加劲环管壁间临界外压为6.96MPa，加劲环的稳定临界外压为1.88MPa，钢管外压稳定计算和抗外压强度计算均满足设计要求。计算成果与原设计过程应力值相差约5%左右，精度满足要求。

4.2 三维设计及二维图

输入参数生成三维、二维模型如图12—13所示。

图12 三维模型展示图

图13 二维图

通过对岔管的结构平面图、肋板立面图、主岔管展开图、支岔管展开图等施工图与模型投图对比，吻合度很好。肋板立面图施工图与模型投图对比如图14所示，图片中红色线条为实际施工图，黑色线条为三维模型投图，完全相同。

图14 肋板施工图与模型投图对比

4.3 有限元计算

结合石垭子水电站岔管实际情况，验证岔管应力以及围岩分担等情况的计算精度。岔管位于II类围岩中，弹性抗力系数75MPa/cm，回填混凝土与钢衬的脱空按1.14mm(缝隙计算中的最终总缝隙取值)考虑，内水压力175.36m。有限元计算应力如图15所示。

图15 Ansys平台计算结果

计算结果分析，①特征点最大应力129.28MPa，肋板最大应力94MPa，在考虑1.14mm的脱空后岔管应力为明管应力的60%左右。②原算稿中围岩分担比例明显要低于有限元计算结果，因此可以通过有限元计算分析为岔管设计过程中围岩分担比例的选择提供依据，结合实际情况确定合理的围岩分担比，降低岔管现场制作安装的难度和节省投资。③在考虑脱空情况下，石垭子水电站岔管的最大应力为130MPa，计算结果与传统算稿基本一致，计算精度满足工程需求。

5 结语

埋藏式月牙肋岔管辅助设计系统是基于Catia-V5软件平台及应用较成熟的VB6.0和Ansys等商业软件开发的，其研究成果内容丰富、齐全，各功能模块可视化程度较高，简单明了，易懂易学，计人员输入初始参数后，计算机就能自动完成设计工作。这个设计系统的开发不仅极大地提高了埋藏式月牙肋岔管的生产效率和产品质量，而且降低了岔管设计技术难度，具有推广应用价值，供读者借鉴。