某水电站高压钢岔管三维有限元计算

雷娜

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

某水电站高压钢岔管三维有限元计算

雷娜

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

基于有限元数值分析，建立岔管三维有限元模型，能够反映岔管在高内水压力作用下的整体应力及局部应力状态，能较为精确完整地反映钢岔管运行期的实际受力情况。以新疆某水电站高压钢岔管为例，采用AUTODESK软件建立模型导入有限元软件，修改后生成几何模型及有限元模型，采用壳单元进行模拟计算，取得了较为合理的成果，对于同类钢岔管的建模及计算有一定的参考意义。

钢岔管；有限元；薄壳结构

1 工程概况

某水电站工程由大坝、溢洪道、导流兼泄洪冲沙洞、发电引水系统、厂房等建筑物组成。电站采用“一洞三机”的布置方式。工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型。

发电引水洞及电站地面厂房布置于左岸，发电引用流量40m3/s，毛水头660m，整个引水系统总长19km，发电引水系统由进口引渠、闸井段、发电引水洞、调压井、斜井段、下平洞段、岔管段和水电站厂房组成。

1.1 计算模型

1#岔管最终方案采用800MPa级钢材，管壁厚46mm，肋板厚100mm，肋宽比0.35，肋板腰部外伸宽度150mm，主管入口直径2.6m，直支管出口直径由2.0m增加到2.1m，斜支管出口直径由1.35m增加到1.4m，其管壳平面结构及肋板结构如图1，图2。

图1 岔管体型

图2 肋板体型

1.2 钢管材质

岔管选用800MPa级钢材（HT780），钢材弹性模量Es=2.06×105MPa，泊松比μs=0.3，线膨胀系数αs＝1.2× 10-5/℃，比重γs=78.5×10-5N/mm3。

1.3 允许应力

对岔管应力变化较大的部位，都在各管节的连接处及肋板内缘的腰部；另岔管中心分岔点附近管壳内、外壁往往存在较高的弯曲峰值应力，这些位置是岔管的应力控制部位。其中整体膜应力区域对应每个管节中间区域（应力分布较为均匀），局部膜应力区域对应相邻管节连接部位（产生不同程度的应力集中），局部膜应力+弯曲应力区域对应受弯曲作用管节连接处内、外壁及肋板表面，局部自限性峰值应力对应岔管顶点O点附近及档部附近区域，该部位中面膜应力不高，但管壁表面峰值应力较高，主要是轴向弯曲应力，且应力集中范围很小，应力具有自限性，即局部屈服和小量变形可以使变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大，这种类型的应力不会导致对结构的破坏。

2 计算模型及基本假定

2.1 计算模型

计算模型包括岔管整体有限元模型及肋板有限元模型，计算假定钢板材料为均匀、连续且各向同性介质［1-2］。单元类型采用壳单元，实常数根据管壁厚度分段分配。岔管整体有限元模型及肋板有限元模型如图3，图4。

图3 岔管整体有限元模型

图4 肋板有限元模型

2.2 边界条件

为减少边界约束对钢岔管主体部分的影响，主直管和支直管长度分别取该处钢管半径的两倍以上，因结构上下对称，取岔管上半部分进行计算，上下结构的分界面施加对称约束。

在运行工况下，管内壁承受7.5MPa内水压力；各管节厚度及梁厚度均扣除2mm的锈蚀磨损裕度。假定3个直管管口，因管道和回填混凝土的限制，无轴向位移。

2.3 强度条件

应力控制按照SL281—2003《水电站压力钢管设计规范》规定执行，即第四强度理论计算的等效应力应小于等于允许应力与焊缝系数的乘积［4-5］，本计算取焊缝系数φ=0.9。

3 计算成果

计算成果主要以节点应力及应力云图表示。了解岔管各管节转折部位应力及整体应力分布。

3.1 节点应力

节点应力如表3，列出点A~K个点的中面、表面及底面应力及肋板应力。

由节点应力得出：

（1）岔管运行工况下钝角区腰线各控制点的应力均在表2对应钢材的局部膜应力以及局部膜应力+弯曲应力的允许应力范围之内，且仍有一定余度。

（2）岔管顶点O点中面膜应力不高，满足运行工况允许应力的要求。

（3）O点附近NO、DO线上的局部区域中面膜应力也不高，满足允许应力要求。

（4）运行工况下由于肋板的加强作用，I点岔裆部位整体应力并不高，均满足允许应力要求。

表3 运行工况应力 单位：MPa

3.2 应力云图

本次计算给出肋板直支管侧及斜直管侧表面应力及中面应力分布云图，岔管内壁、外壁及中面等效应力云图如图5~图10。

由图5～图7可知，运行工况下肋板应力分布均匀，最大值出现在与岔管相接的岔裆部位，均为超过允许应力且有一定余度。满足设计要求。

图8~图10可知，管壳内、外壁及中面膜应力，在岔管顶点O点附近的局部应力集中范围和程度略有区别。从内外壁应力云图可以清晰地看出岔管顶点O附近区域的的存在范围较小的峰值应力，此类应力具有自限性。而管壁中面的应力云图表明管壁中面应力相对均匀。运行工况下应力极值均未超过允许应力，满足设计要求。

图5 运行工况肋板直支管侧表面应力

图6 运行工况肋板中面应力

图7 运行工况肋板斜支管侧表面应力

图8 运行工况岔管内壁面应力

图9 运行工况岔管中面等效应力

图10 运行工况岔管外表面等效应力

4 结语

（1）按照规范结构力学方法所得计算成果和岔管水压试验结果有很大的差异，对于大型和重要的水电站，这种计算方法较难满足要求［3-5］。

（2）目前，采用有限元分析方法设计钢岔管已为工程界所接受，有限元法可以较为精确地求得管壳及肋板局部的应力大小及应力分布情况，模拟岔管各个部位的变形情况，特别是能够反映岔管局部范围的应力集中情况，为岔管设计提供可靠的依据。

［1］王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法（第2版）［M］．北京：清华大学出版社，1997．

［2］李哲斐．钢岔管结构的优化设计［D］．南京：河海大学，2005．

［3］潘家铮.压力钢管［M］．北京：电力工业出版社，1982．

［4］王小军.基于三维有限元的卜型月牙肋钢岔管设计及应力分析［J］.水电能源科学，2016（3）．

［5］SL281—2003，水电站压力钢管设计规范［S］．

（责任编辑：姜彤宇）

Three-dimensional finite element simulated calculation of high pressure steel branch pipe of a hydropower station

LEI Na
（Xinjiang Scientific Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China）

Based on the numerical analysis of finite element method，the establishment of branch pipe three-dimensional finite element model can reflect the whole and local stress state of branch pipe under the action of high water pressure，the actual stress of bifurcated pipe is accurately reflected in operation period.This paper take a high pressure branch pipe of hydropower station in Xinjiang as an example，the Autodesk software is use to establish the model and imported the finite element software，the geometry model and finite element model are generated after modified.The shell element is used to simulate and obtained the reasonable results.It have a certain reference for similar steel branch pipe modeling and calculation.

steel branch pipe；finite element；thin shell structure

TV732.4

B

1672-9900（2017）01-0059-04

2017-02-10

雷 娜（1985-），女（汉族），陕西渭南人，硕士，主要从事水利水电工程勘测设计工作，（Tel）18290806017。