基于CATIA的月牙肋钢岔管三维设计
800MPa级钢材压力钢管岔管焊接技术研究
目前 国内低合金 高强调 质钢 品种 、 能与 国外 性 相 比仍有 较大 差 距 ，０ ＭＰ 钢板 在 水 电行 业 的 ８０ ａ级 应用 还不 普遍 ， 除本 工 程 外 ， 只有 少 数抽 水 蓄能 电 站 如十三 陵 、 龙 池 等 的 引水 压 力 钢 管 岔 管 上 应 西
用 。 国内大 多水 电施 工 企 业 对 ８ ０ Ｐ ０ Ｍ ａ级 钢 板 的 热加 工性 能 了解 得 不是 很 多 ， 于此 ， 本工 程 技 ． 鉴 在 术准 备阶段 ， 开展 了广泛 技 术 调研 ， 选择 不 少 于 并
３种牌号的钢板进行抗裂性、 最高硬度、 ｚ向拉伸、
气刨气 割适应 性 、 接线 能量试验 ， 中择 优选用 。 焊 从
国 内 ８０ Ｐ ０ Ｍ ａ级 钢 板 主 要 有 Ｈ ８ 、 Ｑ ０ 、 Ｑ ０ Ｈ ８Ｃ
１Ｍｎ Ｎ Ｂ等 ， 口同级 别 的钢材有 美 国的 Ｔ １ ４ Ｍｏ ｂ 进 一、
输水 系统采 用一 洞三机供水 方式 ， 每个 引水单 元 通过 ２个 钢岔 管分成 ３条 引水 支管 。 引水 钢岔管 设 计 内水 压 力 为 ４ ３１ ａ外 水 ．４ ＭＰ ， 压 力按 １３ ａ考虑 ， ．ＭＰ 其布 置及 体 型的设 计 方案 为 对称 布置 ， 内加强 月牙 肋 型式 ， 分岔 角 ７。 扩大 率 Ｏ， １５ 。１号 岔 管 主 管 直 径 ７ Ｏ 板 厚 为 ５ １％ ． ｍ， ４— ５ｍ 月牙肋 板 厚 １Ｏ ｍ， 管直 径 ５ ７ ／ ．ｍ， ８ ｍ， ｌｍ 支 ．ｍ ４ Ｏ
ｔ ８ Ｃ钢研制 的工 程 机 械 用 ８ ０ Ｐ 低 碳 调质 ｅ ０ ｎ ０ Ｍ ａ级
高强度 结构 钢 。供 货状 态 为 ９０Ｃ水 淬 ＋ ６ ＂ ２￣ ６０Ｃ回
新疆JBK水电站岔管有限元分析计算
新疆JBK水电站岔管有限元分析计算陈刚【摘要】以新疆JBK水电站工程中的卜型钢岔管为例,建立三维有限元模型,通过三维有限元法验证设计体型是否满足钢岔管在运行及试验工况下的允许应力要求.结果表明,用传统规范法设计的钢岔管体型管壳表面大部分控制点的应力基本满足规范要求,但对于复杂的焊缝处来说,这里的应力集中值无法采用传统方法计算,所以原设计体型在运行工况以及试验工况钢岔管管壁应力不满足规范要求.因此,有必要对此类钢岔管进行有限元优化分析,为今后水利工程中钢岔管优化设计提供参考与借鉴.【期刊名称】《水利科技与经济》【年(卷),期】2018(024)006【总页数】4页(P80-83)【关键词】钢岔管;传统规范法;三维有限元法;管壁应力【作者】陈刚【作者单位】新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐 830000【正文语种】中文【中图分类】TV74水力发电是将高水位的势能转化为转子的机械能，根据磁生电原理由转子的机械能转化为电能。
由于一台发电机组无法满足水电站配电需求，而需要多台机组同时发电，但修建发电洞成本很高，不建议一台机一条洞。
目前，水电站一般是采用1洞2～5机的形式进行发电，很明显出洞口分岔处是关键部位。
如果设计不合理将会导致局部应力集中，钢岔管受力不均匀，最终导致水头损失。
若局部漏水严重时，甚至可能爆管，这将对下游发电厂房机组人员安全造成严重威胁。
因此，对该分岔处的钢岔管结构进行优化设计非常必要。
1 工程概况JBK水电站工程由拦河大坝、泄洪、引水建筑物及地面厂房等主要建筑物组成；大坝为砼面板堆石坝，拦河坝为1级建筑物，溢洪洞、深孔泄洪洞为2级建筑物，发电洞及电站厂房为3级建筑物。
拦河大坝设计洪水标准为100年一遇，洪峰流量为1 184.89 m3/s；校核洪水标准2000年一遇，洪峰流量为2 164.51 m3/s。
厂房设计洪水标准为50年一遇，洪峰流量为1 047.70 m3/s；校核洪水标准为200年一遇，洪峰流量为1 321.54 m3/s。
埋藏式月牙肋钢岔管应力控制标准的比较研究
隙 条 件下 ，按 不 同 应力 控 制 标 准 设 计 的 钢 岔 管 管 壁 厚 度 和 肋 板 尺 寸 差 别 较 大 ，说 明不 同 应力 控 制 标 准 之 间 差 别 是 较 大 的 。此 外 ，在 满 足 明 管 校 核 准 则 和 适 当 围 岩 承 载 比 的 条 件 下 ，按 Ｄ Ｌ ／ Ｔ ５ １ ４ １ －２ ０ ０ １《 水 电站 压 力 钢 管 设 计 规 范 》
Ｚ ＨＯＵ Ｃａ ｉ ｒ ｏ ｎ ｇ ． Ｗ Ｕ Ｈｅ ｇ ａ ｏ ． Ｓ ＨＩ Ｃｈ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ
（ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｈｙ ｄ ｒ ｏ ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ２ ， Ｈｕ ｂ ｅ ｉ ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
水 力 发 电
第４ Ｏ 卷第 ４ 期
２ ０ Байду номын сангаас ４年 ４月
埋 藏 式 月 牙 肋 钢 岔 管 应 力
控 ｛ ｝ ； ＝ ＝ 『 标 准 的 巴较 研 究
周 彩 荣 ，伍 鹤 皋 ，石 长征
（ 武 汉 大 学 水 资 源 与 水 电工 程 科 学 国家 重 点实 验 室 ，湖 北 武 汉 ４ ３ ０ ０ ７ ２ ）
坝 内 埋 管 的结 构 系数 增 加 １ ０ ％的 应力 控 制 标 准 对 地 下 埋 藏 式 钢 岔 管 进行 设 计 是 比较 合 理 的 。 关 键 词 ：水 工 结 构 ；埋 藏 式 月 牙 肋 钢 岔 管 ；应力 控 制 标 准 ；管 壁 厚 度 ；三 维 有 限元 法
CATIA软件在道路三维动态规划设计中的应用
CATIA软件在道路三维动态规划设计中的应用 黄少华;万军;王进丰 【摘 要】针对目前道路工程三维设计软件某些功能的不足,介绍了采用三维设计软件CATIA进行道路规划设计的方法与流程。与传统设计软件相比,CATIA软件不仅可通过三维参数化及模板技术建立道路三维动态模型,而且当规划设计方案变更时,可通过修改设计参数的方式方便快捷地调整道路三维设计模型；此外,CAT-IA软件还能自动计算工程量、填挖量,生成工程二维CAD图。运用CATIA软件可显著提高道路工程的动态设计效率。%The application method and procedures of CATIA software in planning and design of highway project is presented for solving some problems in 3D dynamic design of highway project. In case of alteration of design solution, the 3D highway dynamic model established by technologies of 3D parameterization and template can be adjusted conveniently by altering the related design parameters. In addition, the CATIA can calculate the engineering quantity and filling-excavation volume automatically and gen-erate 2D CAD drawings. Compared with conventional 2D design method, the CATIA can improve design efficiency significantly.
汽车焊装夹具CATIA三维设计
汽车焊装夹具CATIA三维设计摘要：汽车在焊接过程中，所需要的非标设备主要是焊装夹具。
通过8年来焊装夹具的设计、制造，我认识到：焊接夹具的设计数据是否准确、可靠，是整个设计、制造的关键；三维设计是提高设计质量和控制设计周期的最好方法。
关键词：焊装夹具概念设计详细设计工程图部件图前言CAD(CAD即计算机辅助设计)/CAM(CAM即计算机辅助制造)市场一个重要的变化就是微机平台的三维造型软件开始崭露头角。
从企业应用情况来看，二维CAD占据较大的份额，软件应用大多停留在低层次的绘图而不是设计工作上。
随着应用水平的提高，基于三维CAD)进行设计的优势已显现出来。
目前三维造型软件仍以国外厂家为主。
国产CAD/CAM软件与国外竞争最大优势就是服务，这种服务既有售前普及化服务和售后的本地化服务，又有由此延伸出来的一系列增值服务。
应用推广，三维造型软件这样复杂产品特别需要优质的服务。
目前来看，国内的CAD/CAM软件市场经过商家激烈竞争的洗礼，已经变得更加理性和成熟。
广大用户已经能够根据自己的需要和软件的功能、价格、服务、升级、兼容性，以及软件公司的发展前景作出正确的选择。
在汽车行业，以往业主提供的供设计使用的数模是五花八门，有：CATIA格式、PR-E格式、UG格式等等。
使得我们的设计工具也是五花八门。
对此我们也深深感受到自己设计上需要一种能解决这种问题的办法。
经过我们多年的设计体会及设计人员的深入交流、分析、比较和总结，我们认为如何灵活、科学运用软件来适合、指导我们的设计工作是我们所重点关注的问题。
它既能立足于我们现在的设计现状，并且又能和多个三维软件进行数据的共享、运用。
在初步了解了一些三维软件在其他专业厂家的一些使用效果后，我们觉得将它作为我们发展的一个重点是可行的。
由于在车身焊装夹具中，各公司的做法不一，也没有现成的经验可以学习，我们在焊装夹具设计中作了几点探索。
一．数据管理（文件夹的管理）我们在2005年下半年的《某公司焊装车间项目》中使用CATIA 软件完成焊装夹具的三维设计（概念设计）、详细设计、工程图生成（二维设计）、焊钳模拟、运动分析等；所有的设计工作都是在CATIA 平台上完成。
CATIA实操第14节异形管的设计方法
CATIA实操第14节异形管的设计方法在机械设计领域中，异形管的设计常常是一项具有挑战性但又至关重要的任务。
异形管的应用广泛，从汽车制造到航空航天，从工业管道系统到复杂的机械结构，都能看到其身影。
在 CATIA 这款强大的设计软件中，掌握异形管的设计方法将为我们的设计工作带来极大的便利和效率提升。
首先，让我们来了解一下异形管的特点和设计需求。
异形管与传统的圆形或矩形管道不同，它的形状可能是不规则的、弯曲的，甚至可能具有复杂的截面变化。
这就要求我们在设计时充分考虑其功能、空间布局、流体流动特性以及制造工艺等因素。
在 CATIA 中开始设计异形管之前，我们需要明确一些关键的设计参数。
比如，异形管的起点和终点位置、管径的变化范围、弯曲的角度和半径，以及管壁的厚度等。
这些参数将为后续的设计工作提供明确的指导。
接下来，我们进入 CATIA 软件的操作界面。
打开 CATIA 后，选择“创成式外形设计”模块。
在这个模块中，我们可以利用多种工具来构建异形管的形状。
一种常见的方法是通过草图绘制。
先在基准平面上绘制出异形管的大致轮廓，然后使用“拉伸”、“旋转”等操作将草图转换为三维实体。
在绘制草图时，要注意线条的准确性和完整性，尽量使用几何约束和尺寸约束来确保草图的精度。
对于具有弯曲部分的异形管，我们可以使用“扫掠”功能。
首先绘制出弯曲的路径，然后再绘制出截面形状，通过扫掠操作将截面沿着路径生成弯曲的管道。
在选择路径和截面时，要根据实际需求进行合理的设计，以保证异形管的形状和尺寸符合要求。
另外，“多截面实体”工具也是设计异形管的有力手段。
我们可以在不同的位置绘制多个截面，然后软件会自动将这些截面平滑地连接起来，形成一个连续的异形管实体。
在设计过程中，还需要时刻关注异形管的壁厚。
可以通过“加厚”操作来为管道添加壁厚。
同时，要注意壁厚的均匀性，以保证管道的强度和稳定性。
为了更直观地检查设计的异形管是否符合要求，我们可以使用CATIA 的“可视化”和“测量”工具。
CATIA实操第14节异形管的设计方法
CATIA实操第14节异形管的设计方法在工业设计和制造领域，异形管的设计常常是一个具有挑战性但又至关重要的环节。
异形管的应用范围广泛，从汽车的排气管到航空航天领域的复杂管道系统，都能看到它们的身影。
在这一节中，我们将深入探讨 CATIA 中异形管的设计方法，帮助您掌握这一关键技能。
首先，让我们来了解一下为什么异形管的设计如此重要。
异形管通常是为了满足特定的功能需求或者空间限制而设计的。
与传统的圆形或矩形管道相比，它们能够更有效地引导流体、气体的流动，减少压力损失，提高系统的性能。
同时，异形管还可以更好地适应复杂的安装环境，节省空间，提高整体结构的紧凑性和美观性。
在 CATIA 中，设计异形管有多种方法，下面我们将详细介绍其中几种常见且实用的方法。
方法一：草图绘制与拉伸这是一种较为基础但非常实用的方法。
首先，在 CATIA 的草图模块中，根据异形管的横截面形状绘制草图。
可以使用各种绘图工具，如直线、圆弧、样条曲线等，来精确地勾勒出所需的形状。
在绘制草图时，要注意尺寸的准确性和几何约束的添加，以确保草图的完整性和合理性。
完成草图绘制后，使用拉伸工具将草图沿着指定的方向拉伸成三维实体。
拉伸的长度可以根据实际需求进行设定。
通过这种方法，可以快速创建出简单的异形管。
方法二：曲面造型对于一些形状更为复杂的异形管，曲面造型是一个更好的选择。
在CATIA 的创成式外形设计模块中，可以使用诸如填充曲面、扫掠曲面、多截面曲面等工具来构建异形管的曲面模型。
以扫掠曲面为例，先绘制一条引导曲线和一个截面轮廓。
引导曲线决定了异形管的走向，而截面轮廓则定义了管道的横截面形状。
然后，使用扫掠曲面工具将截面沿着引导曲线进行扫掠，从而生成异形管的曲面。
在完成曲面构建后，通过加厚曲面将其转化为实体模型。
这种方法能够创建出非常光滑、流畅的异形管形状，但相对来说操作难度也稍大一些，需要对曲面造型的原理和工具有较深入的理解。
方法三：实体布尔运算如果异形管是由多个基本形状组合而成的，可以使用实体布尔运算来实现设计。
埋藏式月牙肋钢岔管肋板受力特性和体型优化方法
埋藏式月牙肋钢岔管肋板受力特性和体型优化方法苏凯;李聪安;胡馨之;伍鹤皋【摘要】A three dimensional finite element numerical model for steel bifurcation pipe of hydropower diversion system is established according to the engineering practice of embedded crescent-rib steel bifurcation pipe in a hydropower station.And this work is focused on the study of mechanical characteristics and shape optimization method of rib.The results indicate that the distribution of axial stress and z-direction stress in the thickness direction of rib is uniform,and the values of z-direction stress are significantly smaller than the counterpart of axial stress.Therefore,the z-direction property of the steel needs to be ensured to avoid the tearing in the thickness direction of the crescentrib.In this study,the inner edge of the crescent-rib is optimized by the resultant action percentile point,which is proposed based on the distribution characteristics of axial stress of crescent-rib cross sections.And the objective function is used to recheck the computation of the optimized shape crescent-rib,which can be recommended as a method to optimize the shape of the rib.%结合某水电站埋藏式月牙肋钢岔管的工程实际,建立其引水系统钢岔管的三维有限元数值模型,重点研究了月牙形肋板的受力特性与体型优化方法.计算结果表明:肋板轴向应力和z 向应力在厚度方向上的分布一致性较好,z向应力尽管数值上明显小于其轴向应力,但为使钢材沿厚度方向不出现撕裂破坏而需要保证满足肋板的z向性能要求;根据肋板横截面上轴向应力的分布特征,提出了合力作用分位点的概念,依据合力作用分位点轨迹线修正肋板内缘轮廓,由优化目标函数进行肋板体型优化计算,并建议此方法作为肋板体型优化的方法.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2018(051)003【总页数】9页(P232-240)【关键词】月牙肋钢岔管;肋板;z向应力;体型优化;合力作用分位点;内缘曲线;目标函数【作者】苏凯;李聪安;胡馨之;伍鹤皋【作者单位】武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TV732.4在中高水头引水式水电站中，多采用“一管两机”或“一管多机”的供水方式，常需设置分岔管．岔管是指输水管道分岔处的压力钢管管道，是由锥管、柱管、肋板焊接而成的板壳组合结构，其中月牙肋钢岔管具有受力合理、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，是目前国内外采用最多的岔管型式[1-2]．月牙肋钢岔管的结构特点是：用一块完全嵌入管体的月牙形肋板从岔管的内部加强两个支管相贯线处的管壁，并承受由内水压力作用产生的两个支管相贯线处的不平衡力，让管壁所受到的水压力作用在肋板的形心上，按轴心受拉构件确定肋板的轮廓尺寸，这样可以充分利用钢材的抗拉强度[3]．而在实际内水压力的作用下，肋板的水流情况和受力状态都较为复杂，其各截面并非处于轴心受拉状态．目前，国内对肋板的研究主要集中在肋板的整体受力特征方面，如冯华[4]针对甘肃杂木河神树水电站钢岔管，对其肋板的合位移和 Mises应力进行了研究；辜晓原等[5]在设计江苏溧阳抽水蓄能电站月牙肋钢岔管时，分析了肋板的整体Mises 应力和肋板厚度方向的应力；郭雪[6]在研究张河湾抽水蓄能电站埋藏式钢岔管时发现，相比明管，埋管时肋板应力集中有十分显著的下降．可以看出以上研究多针对肋板整体受力展开，缺少对肋板轴向以及z向受力特征细致深入的研究．同时，对于肋板体型(肋板内缘曲线)，目前的工程实践多按抛物线方程确定，也有采用椭圆曲线进行设计的，如马鹿塘水电站一期工程钢岔管肋板内缘曲线即是采用了椭圆曲线，但是目前针对肋板体型的研究多集中在肋板的初步设计阶段，未对肋板的实际受力状态和体型进行复核，如张红梅[7]在研究西龙池抽水蓄能电站月牙肋钢岔管时，发现肋板最大横截面处应力分布不够均匀，认为主要原因在于肋板最大横截面的形心点与其合力作用点不重合．因此，本文结合某水电站埋藏式月牙肋钢岔管工程实际，建立钢岔管的三维有限元数值分析模型，针对肋板的受力特性，特别是对肋板轴向应力的分布特征以及z向应力的分布规律展开研究，并结合肋板各典型横截面上的轴向受力特征探讨肋板体型优化设计方法，提出优化目标函数，计算结果可为肋板体型的优化设计提供重要的参考依据．1 基本理论1.1 Mises屈服理论月牙肋钢岔管采用Mises屈服准则，具体规定如下：在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态，其表达式详见式(1)．Mises屈服准则的物理意义为：当材料的单位体积形状改变的弹性能达到某一常数时，质点就发生屈服，故 Mises屈服准则又称为能量准则．Mises应力是基于剪切应变能的一种等效应力，遵循材料力学第4强度理论，它是一个综合考虑了第1主应力、第2主应力和第3主应力的概念，可以用来对材料的疲劳、破坏等进行评价[8-10]．式中：1σ为第1主应力；2σ为第2主应力；3σ为第3主应力；J为常数，可根据简单拉伸试验求得或纯剪切试验来确定．1.2 点/点接触单元与围岩联合受力是埋藏式钢岔管的重要承载特性，数值模拟分析过程中往往需要考虑外围围岩的支撑作用．但是由于施工工艺、混凝土冷缩、温度降低等原因，在钢管与外包混凝土和围岩之间会出现一定大小的初始缝隙，即便通过回填或者接缝灌浆也是不能完全消除的，因此在内水压力作用下，岔管与围岩间具有典型的接触力学行为特征．有限元方法在分析模拟接触问题时较为成熟，其解决接触问题的基本思路是：通过有限元离散，建立支配方程，根据初始接触状态利用约束变分原理形成刚度矩阵(其中，接触单元的法向刚度由式(2)计算)，根据支配方程求出接触力，并由计算所得外力和位移再次检验接触状态，若与假定的接触状态不符，则重新假定接触状态，更改刚度矩阵重新迭代计算，如此循环，直至迭代计算的接触状态稳定为止，最后进行迭代计算的收敛性检查．式中：β为接触刚度系数；E为附着层单元的弹性模量；Tmax为允许最大穿透，与穿透公差系数及特征接触长度有关．在接触分析时接触刚度的取值是决定接触算法的收敛性以及接触穿透特征的关键因素．一般来说，应该选取足够大的接触刚度以保证接触穿透小到可以接受，但同时应保证不会引起总刚度矩阵的病态问题而保证接触算法的收敛性．ANSYS平台中提供的接触模型有 3种：点/点接触、点/面接触和面/面接触．由于点/点接触单元只需要构建接触面和目标上的对应点点接触对即可，不需要形成外围岩体单元，建模较为方便，得到广泛应用[11-12]．点/点接触单元如图1所示，当接触单元发生正位移时钢衬与围岩间的缝隙脱离接触，单元法向力为零，不传递荷载；当接触单元发生负位移时缝隙保持接触，单元传递与位移呈线性关系的负值法向力，此时接触单元表现为线性弹簧，则其对钢衬节点的反向作用就相当于围岩对钢衬的作用力．在一般计算过程中，假定外围围岩为弹性介质，采用围岩的弹性抗力系数反映围岩的支撑作用，具体点/点接触单元的法向刚度可按式(3)进行计算．图1 点/点接触单元示意Fig.1 Point-to-point contact element式中：K为外围围岩的弹性抗力系数；A为接触面积；N为点/点接触单元的数量．2 计算模型2.1 基本资料某水电站装机容量246,MW，水库总库容1.325亿 m3，工程等别为二等，工程规模为大(2)型．输水发电系统采用一洞两机布置方式，输水线路长6,540.76,m，其中引水隧洞长 5,984.88,m，压力管道长353.61,m．压力管道采用一管两机布置型式，立面采用斜井布置，斜井倾角55°，在厂房上游边墙外布置对称 Y型内加强月牙肋钢岔管，岔管中心距厂房上游边墙的垂直距离约为 77.5,m，引水主管直径5.8,m，引水支管管径 4.1,m．已知设计内水压力为3.0,MPa．根据《水电站压力钢管设计规范》(NB/T 35056—2015)[13]可以确定月牙肋钢岔管的体型和肋板尺寸，如图2所示．肋板材料采用07,MnMoVR型调质钢板，钢材弹性模量 E＝206.0,GPa，泊松比μ＝0.30，钢材设计强度均按《水电站压力钢管设计规范》进行取值．图2 月牙肋钢岔管及肋板体型图Fig.2 Shape and size of crescent-rib steel bifurcation pipe and rib2.2 计算模型按照《水电站压力钢管设计规范》(NB/T 35056—2015)[13]的规定，模型在主管和支管端部均取固端全约束．模型计算范围的确定按不影响钢岔管单元应力、应变分布和满足足够的精度要求进行考虑，主、支管段轴线长度从公切球球心向上下游分别取最大公切球直径的1.5倍左右．有限元模型建立在笛卡尔直角坐标系坐标下，Oxz面为水平面，x轴为顺水流方向，竖直方向为 y轴，向上为正，坐标系成右手螺旋，坐标原点位于主锥管与之锥管公切球球心处．岔管管壳全部采用 ANSYS 4节点板壳单元SHELL63，肋板较厚则采用 8节点实体单元SOLID45，厚度方向网格划分为 4等份．针对埋藏式月牙肋钢岔管，采用点/点接触单元CONTAC52模拟钢衬与围岩的接触力学行为[2,14]．岔管整体模型及肋板模型网格划分如图3所示．图3 岔管整体模型及肋板模型网格Fig.3 Grid of bifurcation pipe and rib models2.3 计算条件有限元计算按埋藏式岔管联合承载进行，对围岩及回填混凝土进行了一定的简化[15-18]，采用的基本假定有：①围岩为均质各向同性，且应力状态处于线弹性范围以内；②不考虑围岩的初始应力状态及开挖后的二次应力状态影响，钢衬和混凝土不承受来自围岩的初应力；③在内水压力作用下，混凝土径向均匀开裂，钢衬所承受的内水压力部分通过径向开裂后的混凝土传递到岩石上，混凝土只起传递荷载作用；④将混凝土与钢岔管之间的缝隙及混凝土与围岩之间的缝隙合并为一层缝隙，在考虑围岩联合承载计算时，钢衬与围岩之间的初始缝隙假定取为6×10-4倍主管半径，本工程初始缝隙值为 1.74,mm；⑤围岩与回填混凝土只对钢岔管管壁正的法向位移起约束作用，围岩的单位弹性抗力系数为40,MPa/cm．3 肋板受力特性分析鉴于肋板构造和受力特征的对称性，本文取肋板Oxz平面上半部分各横截面进行应力结果分析，对各横截面进行编号详见图 4(a)．横截面局部坐标系的定义为：以肋板中面内缘为坐标原点O′，z′方向为肋板厚度方向，y′轴方向沿横截面外法向，坐标系成右手螺旋，其中横截面 1-1、5-5和 10-10处的平面局部坐标系定义如图4(b)所示．图4 截面编号及局部坐标系示意Fig.4 Number of cross sections and local coordinate system3.1 肋板整体Mises应力根据有限元计算结果，绘制了肋板整体Mises应力等值线，见图 5，应力以拉为正，压为负．肋板最大Mises应力为 168.446,MPa，出现在肋板最大截面的内缘处，小于肋板相应抗力限值266,MPa．3.2 肋板z向应力在月牙肋钢岔管制造过程中，肋板与左右两侧支锥管采用角焊缝连接，如果肋板选材没有考虑z向性能的要求，由于接头拘束度较大，在焊缝的冷却收缩过程中，将使近缝区肋板母材发生层状撕裂[19-20]；同时在内水压力循环作用下，除了产生肋板平面内的作用力以外，还会产生沿厚度方向(z向)的拉应力，将导致肋板发生撕裂破坏．图5 肋板整体Mises应力等值线(单位：MPa)Fig.5 Contour of Mises stress of rib(unit：MPa)从有限元数值计算结果可以看出：肋板的z向应力在厚度方向上分布较为均匀，且绝大部分区域z向应力都为较小的压应力，但在肋板与管壳相连的局部区域出现了较明显的拉应力集中现象，对于横截面1-1、3-3、5-5和 7-7处的 z向应力，最大值分别为：24.12,MPa、27.11,MPa、35.29,MPa 和 54.96,MPa，肋板 z向拉应力最大值为 89.56,MPa，出现在管顶部位的横截面 10-10处，整体数值不是很大，各横截面的最大 z向应力值随着截面编号增大呈现出增大的趋势，最大值均出现在肋板与管壳相连处，见图6．但是，目前我国《厚度方向性能钢板》(GB/T5313—2010)[21]规定对于 z向性能级别按钢材的含硫量及z向的断面收缩率确定，而有关肋板钢材z向性能级别的选择，现行的《水电站压力钢管设计规范》等有关规范没有给出明确规定．王志国[19,,22]初步提出以肋板厚度为参数进行肋板 z向性能级别选择的方法，以供设计人员参考，但对肋板的 z向受力限值依然没有涉及．图6 肋板z向应力三维分布Fig.6 3D distribution of z-direction stress of rib 3.3 肋板轴向应力图7 肋板轴向应力三维分布Fig.7 3D distribution of axial stress of rib在进行肋板体型设计时，通常依据肋板承受轴向拉力为基本要求，即要求肋板横截面内法向为轴向受拉状态，且分布均匀．从图 7可以看出：肋板的轴向应力在厚度方向上分布较为均匀，各横截面的轴向应力都呈现出内侧大外侧小的基本规律，且在肋板与管壳相连的区域出现局部应力峰值现象，对于埋藏式月牙肋钢岔管，横截面 1-1、3-3、5-5和 7-7处最大轴向应力值分别为：168.68,MPa、146.16,MPa、106.87,MPa和 67.41,MPa，各横截面的最大轴向应力值随着截面编号的增大而呈现出减小的趋势，且最大值出现的位置由肋板内缘处向肋板与管壳相连处转变．4 肋板体型优化鉴于沿肋板厚度方向的轴向应力分布较为均匀，本文以肋板中面各横截面的轴向应力值作为基准值来分析肋板的内力分布特征．根据各典型横截面的位置特征，采用分位点αi定义各横截面上的合力作用点，即合力作用点位置距横截面局部坐标系原点O'的距离ci与横截面宽度wi＝bt＋d 之比，即αi＝ci/wi，具体如图8所示．图8 肋板体形及横截面坐标系示意Fig.8 Shape of rib and coordinate systemof cross section由计算结果可以看出：当肋板采用抛物线的内缘曲线时，在靠近管道腰部位置的几个横截面，即1-1～6-6截面，分位点αi值均在0.45左右，最大值为0.477,3，最小值为 0.434,8，而对于 7-7～10-10截面，αi值都超过 0.50，最大值达到0.631,6，说明肋板各横截面的轴向受拉特性并不突出，不符合设计预期，计算结果详见表 1，表中弯矩值以肋板内缘侧受拉为正，反之为负．肋板各横截面的轴力和弯矩值随着截面编号的增大而减小，肋板横截面的轴力和弯矩最大值均出现在1-1截面处，见图9．肋板在初步设计时一般假定为轴心受拉构件，即在确定肋板中央截面宽度后，肋板的外缘曲线以相贯线为基础向管壳外适当加宽 50～100,mm，以满足管壳与肋板焊接缝的位置要求，而对于肋板其余截面的宽度，则按内缘抛物线轮廓确定．从肋板的内力分布特征可以看出，当肋板的内缘曲线采用抛物线时，各横截面位置的轴向受拉特性并不突出，因而，有必要对肋板内缘曲线进行优化修正以满足其轴向受拉特性．表1 肋板横截面合力作用分位点计算Tab.1 Computation of resultant action percentile points at cross sections of rib截面编号横截面宽度wi/mm横截面轴力N/MN横截面弯矩M/(MN·m)合力作用点距离ci/mm合力作用分位点αi 1-1 1,210.00 14.06 1.08 528.54 0.436,8 2-2 1,195.55 13.09 1.02 519.870.434,8 3-3 1,152.17 12.63 0.90 505.38 0.438,6 4-4 1,081.39 10.89 0.67 478.78 0.442,7 5-5 1,984.70 18.65 0.40 446.03 0.453,0 6-6 1,864.90 16.140.12 412.81 0.477,3 7-7 1,724.22 13.70 -0.071 380.60 0.525,5 8-81,561.77 11.84 -0.071 321.08 0.571,5 9-9 1,365.79 10.75 -0.011 196.55 0.537,3 10-10 1,112.00 10.12 0 170.74 0.631,6图9 肋板各横截面内力Fig.9 Internal forces at cross sections of rib本文以合力作用分位点αi为中心，按肋板外缘曲线至合力作用分位点轨迹线间距的两倍值确定肋板各横截面宽度，以此对肋板内缘轮廓曲线进行修正，从而使合力作用分位点与横截面中心重合，则肋板处于轴心受拉状态．从肋板内缘曲线优化后的轮廓可以看出，在管道腰部位置附近(截面 1-1～6-6)的肋板轮廓需要加宽，但对于管顶和管底位置的肋板上下端部，肋板截面宽则需要减小，见图10(a)．对于优化修正后的肋板体型，需要修改相应的肋板有限元模型，并按同样的方法进行合力作用分位点的复核计算，本文对肋板体型进行两次优化复核计算，结果见表2．同时，经两次优化后的肋板体型，见图10(b)和(c)，图中方案YH-0表示肋板体型未进行优化时的计算结果，而方案YH-1和方案YH-2则分别对应肋板体型第1次优化和第 2次优化的计算结果．图10 肋板内缘曲线优化示意Fig.10 Optimization of inner edges of rib表2 肋板体型优化后各截面合力作用分位点复核计算表Tab.2 Recheck computation of resultant action percentile points at cross sections of optimized rib截面编号 YH-1 YH-2 YH-1 YH-2 YH-1 YH-2 YH-1 YH-2 YH-1 YH-2横截面宽度wi/mm 横截面轴力N/MN 横截面弯矩M/(MN·m) 合力作用点距离ci/mm 合力作用分位点αi 1-1 1,362.32 1,471.16 14.13 14.15 0.77 0.46 626.74 702.78 0.460,1 0.477,7 2-2 1,351.31 1,465.97 14.01 14.03 0.80 0.50 618.32 697.13 0.457,6 0.475,5 3-3 1,293.59 1,398.04 12.72 12.71 0.66 0.42 594.61 666.20 0.459,7 0.476,5 4-4 1,205.161,304.89 11.01 11.03 0.55 0.38 552.70 618.22 0.458,6 0.473,8 5-51,077.42 1,165.32 18.83 18.87 0.39 0.30 494.79 548.92 0.459,2 0.471,0 6-6 1,904.42 1,967.44 16.35 16.44 0.20 0.20 420.53 453.44 0.465,1 0.468,7 7-7 1,687.14 1,707.55 13.78 13.86 0.04 0.07 333.31 334.790.485,1 0.473,2 8-8 1,481.49 1,470.39 11.79 11.78 -0.011 0.01 246.35 227.60 0.511,6 0.483,9 9-9 1,338.49 1,329.44 10.71 10.69 0 0 173.78 162.00 0.513,4 0.491,7 10-10 1,082.52 1,081.28 10.07 10.02 0 0 141.88 140.26 0.507,5 0.495,3岔管肋板是一个整体受力构件，体型优化工作并不能保证各横截面均呈现理想的轴向受拉特性，由此本文提出如式(4)的优化目标函数，即以肋板截面合力作用分位点平均相对误差不超过误差限值为优化目标，同时要求各截面合力作用分位点的相对误差iω不超过最大允许偏心率误差当优化计算结果满足式(4)时，可认为肋板处于理想的轴心受拉状态，体型优化工作即告完成．针对误差限值[]ω以及最大允许偏心率误差的取值，本文从结构和经济方面考虑建议取则由表3可以看出，本工程第2次优化结果满足肋板理想轴向受拉特性的要求．式中n为肋板划分的横截面份数，本工程中n＝10．表3 肋板各截面合力作用分位点相对误差计算Tab.3 Computation of relative error of resultant action percentile points at cross sections of rib方案 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 9-9 10-10各横截面合力作用分位点的相对误差iω/%,合力作用分位点平均相对误差ω/%,YH-0 12.64 13.04 12.28 11.46 9.40 4.54 5.10 14.30 7.46 26.32 11.65 YH-1 07.98 08.48 08.06 08.28 8.16 6.98 2.98 02.32 2.68 01.50 05.74 YH-2 04.46 04.90 04.70 05.24 5.80 6.26 5.36 03.22 1.66 00.94 04.255 结语本文结合某水电站工程实际，采用有限元法研究分析了埋藏式月牙肋钢岔管肋板的受力特性，着重分析了肋板在厚度和宽度方向上的应力分布特征，计算结果表明：肋板z向应力和轴向应力沿厚度方向变化均不大，可认为沿厚度方向应力均匀分布；肋板 z向拉应力整体数值不大，但与管壳相连区域受拉明显，在内水压力的循环作用下和焊缝的冷却收缩过程中肋板有可能沿厚度方向出现撕裂破坏，建议在现有指标的基础上完善肋板的 z向性能要求；同时，肋板横截面的轴向应力呈现出由内到外递减的基本规律，最大轴向应力值出现在肋板横截面内缘处；最后，当肋板采用抛物线的内缘轮廓曲线时，各横截面的轴向受拉特性并不突出．由此，本文提出了依据合力作用分位点的肋板内缘曲线修正方法，并给出了相应的体型优化目标函数，对肋板体型进行复核计算，结果表明优化后的肋板受力特性有明显的改善，说明这样的体型优化方法是有效的，具有一定的实际意义和工程应用价值．【相关文献】［1］王志国. 高水头大 PD值内加强月牙肋岔管布置与设计[J]. 水力发电，2001，10：56-59.Wang Zhiguo. 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Research and Practice on the Technology of Underground Crescent-。
三分梁式岔管体形设计与有限元计算
三分梁式岔管体形设计与有限元计算杨海红;杨兴义;伍鹤皋【摘要】In accordance with the four-girder reinforced trifurcation in Ethiopian GIBE Ⅲ Hydropower Station, the formulas are derived on the condition of two breast girders with two U-shape girders sharing one point by means of the theory of cone intersecting with cone and the relationship of plane geometry. The computation of formulas is programmed, and the shape of the trifurcation is designed on the basis of computation. The structures of designed trifurcation are analyzed by APDL of ANSYS under different pipe thickness and different thickness and width of the inner part of U-shape girders. The optimal design is eventually proposed.%结合埃塞俄比亚GIBEⅢ水电站三分梁式岔管的实际情况,运用锥锥相贯原理及平面几何关系推导出了三分岔管两腰梁和两U梁共点的条件和计算公式,并编写了相应的计算程序,在此基础上对三分岔管体形进行了设计；然后采用ANSYS软件中的APDL参数化设计语言对三分梁式岔管进行了有限元计算,通过以岔管管壁厚度和U梁厚度、内伸宽度为参数对岔管进行多方案比较,最终提出了合理的设计方案.【期刊名称】《水力发电》【年(卷),期】2012(038)002【总页数】4页(P54-56,64)【关键词】三分梁式岔管;体形设计;相贯线;有限元计算;GIBEⅢ水电站【作者】杨海红;杨兴义;伍鹤皋【作者单位】武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072;中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都610072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TV672.2;O242.20 引言水电站钢岔管的结构形式一般有贴边岔管、梁式岔管、月牙肋岔管、球形岔管、无梁岔管5种。
CATIA设计之Z型矩形管的设计方法
CATIA设计之Z型矩形管的设计方法Z型矩形管是一种常见的结构构件，在CATIA设计软件中，我们可以利用其强大的功能和工具，高效地完成Z型矩形管的设计。
本文将介绍如何使用CATIA进行Z型矩形管的设计，并提供详细的设计方法。
一、CATIA软件简介CATIA是法国达索系统公司（Dassault Systemes）开发的一款三维CAD软件。
其功能强大，广泛应用于各个领域的产品设计、建模和分析中。
利用CATIA软件进行Z型矩形管设计，可以提高设计效率，确保设计准确性。
二、Z型矩形管设计流程1. 创建零件首先，在CATIA软件中创建一个新的零件文件。
选择“文件”->“新建”->“零件”，然后设置零件尺寸和单位。
2. 绘制基准平面在创建的零件文件中，选择“绘图”->“绘制基准平面”，根据实际需求选择一个适当的平面进行绘制。
3. 绘制外轮廓在选定的基准平面中，使用“绘图”->“矩形”工具，绘制外轮廓。
根据Z型矩形管的尺寸要求，选择相应的绘图工具进行绘制。
4. 添加连接部件根据设计需求，为Z型矩形管添加连接部件。
可以使用“绘图”->“矩形”或“圆弧”工具，在外轮廓上绘制相应的连接部件。
5. 进行特征建模在完成外轮廓和连接部件的设计后，可以进行特征建模。
利用CATIA软件的特征建模工具，可以添加孔洞、斜面、倒角等特征，以满足设计要求。
6. 进行材料和荷载分析在设计完成后，可以利用CATIA软件的分析功能，对Z型矩形管进行材料和荷载分析。
通过模拟应力、变形等物理性能，来评估设计的可行性和安全性。
7. 进行装配设计如果需要进行装配设计，可以将Z型矩形管与其他零件进行装配。
在CATIA软件中，选择“绘制装配件”和“装配约束”工具，进行适当的装配设计。
8. 完善设计并导出文件根据实际需求，对设计进行完善和修改。
最后，选择“文件”->“导出”或“另存为”选项，将设计好的Z型矩形管导出为需要的文件格式。
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较 为完 善的月牙肋岔管设计方法 。同时根据实际工程 ，明确 了 ＣＡＴＩＡ软 件在月牙肋 岔管 设计 中的具体应 用过 程 ，并 总 结 了基本 的设计 要点和应用技巧 。结果表明 ：基 于 ＣＡＴＩＡ软件 的月牙肋 岔管三维设 计是 可行 的 ，能 显著提 高工作效 率 和设计 精度 ，应用效果 良好 ，可 以为更多 的工程实践提供借鉴 。 关键 词 ：ＣＡＴＩＡ；月牙肋钢岔管；三维设计 ；体型设计；展开图
一 般 而言 ，月牙 肋 岔 管设 计 主要 包 括 岔 管 体 型设 计 、管 壁厚 度 的确 定 和 岔 管体 型 展 开计 算 三个 环 节 Ｊ，具体设计过程及存在的主要问题如下。
１）岔管体型设计。综合各种规范和资料可知 ，传 统的月牙肋岔管设计 ，基本采用数解法，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
１ 研 究 背 景
月牙肋岔管因其结构合理 ，管内水流平顺 ，制作 、 安装难度较低 ，工程实践经验较多等优点 ，是 目前国内 外工 程 中 应 用 较 多 的一 种 岔 管 型 式 … 。鉴 于月 牙 肋 岔管结构受力具有其 自身的特点 ，如何行之有效地进 行其结 构 设计 是工 程 中较为 关注 的 问题 。
２０１６年第 ７期
２０１６ Ｎｕｍｂｅｒ ７
水 电 与 新 能 源
ＨＹＤＲ０Ｐ０Ｗ ＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
总第 １４５期
Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１４５
ＤＯＩ：１０．１３６２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｅｎ４２—１８００／ｔｖ．１６７１—３３５４．２０１６．０７．００３
基 于 ＣＡＴＩＡ 的月 牙肋 钢测规划设计研究有 限责任公 司 ，湖北 武汉 ４３００１０）
摘 要 ：针对月牙肋岔管设计过程中存在着工作量大、精度和效率低等缺点，提出了基于ＣＡＴＩＡ软件的月牙肋钢岔管三维 设计 。依托 工程 常用软件 ＣＡＴＩＡ的 自身功能 ，结合月牙肋岔管设计过程——体 型设计 、结构计算及施 工蓝 图 ，形成一 套
中 图分类 号 ：ＴＶ７３２．４１ 文献标 志码 ：Ａ 文章 编号 ：１６７１—３３５４（２０１６）０７—００１２—０５
Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｒｅｓｃｅｎｔ Ｒｉｂｂｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｂｒａｎｃｈ Ｐｉｐｅ ｗｉｔｈ ＣＡＴＩＡ ＱＩ Ｗｅｎｑｉａｎｇ，ＺＯＵ Ｂａｉｑｉｎｇ，ＬＩ Ｙｕｅｗｅｉ
收稿 日期 ：２０１６—０６—０８ 作者简介 ：齐文强 ，女 ，工程师 ，主要从 事水 电站金属结构方面的设计工作 。
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齐文强 ，等 ：基于 ＣＡＴＩＡ的月牙肋钢岔管三维设计
２０１６年 ７月
能优 势 ，笔者 在进行 钢岔 管 结 构 设 计 的过 程 中探 索 引 入 ＣＡＴＩＡ软件提高设计效率 的可能性。首先 ，ＣＡＴＩＡ 具有三维参数化设计功能 ，能实现岔管体 型的参数化
３）岔 管 体 型 展 开 计 算 Ｊ。岔 管 体 型 展 开 通 常 采 用 图解法 ，即直 接 采用 几 何 投 影关 系 ，采 用积 分 思 想 ， 直接绘图量出其轮廓尺寸 ，该方法繁琐且误差较大。
ＣＡＴＩＡ软件是一个集 ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ为一体 的 大型三维参数化软件 ，广泛应用于航空航 天、汽车制 造 、电子 、机械等行业 Ｊ。鉴于 ＣＡＴＩＡ软件强大 的功
几何体型，因此其体型设计和结构计算十分复杂 ，尤其 当方 案调 整 时 ，计算 过程 繁琐 且工 作量 大 ，准确性 和精 度不高 ，设计效率较低。
２）管壁厚度 的确定。管壁厚 度的计算大都按 照 规范提供 的近似计算方法，这种分析方法用于体 型较 为 复杂 的不对 称钢 岔管 分析 时较 为麻烦 且得 到 的结果 也不 太合 理 。