月牙肋钢岔管设计中若干问题的探讨

针对月牙肋钢岔管顶部出现较大局部应力使管壳厚度大为增加、有限元计算肋板应力受网格剖分影响较大的问题,以安徽绩溪水电站钢岔管为例,探讨了钢岔管基本锥腰线转折角对管壳腰部和顶部局部应力的影响,比较分析了肋板不同单元类型和网格疏密对计算结果的影响。结果表明,钢岔管基本锥腰线适宜转折角为6°～14°,月牙肋采用实体单元模拟更精确,采用板壳单元模拟更简便,肋板网格疏密对应力分布规律影响不明显,仅对最大应力值有影响。     

不同边界条件对钢岔管水压试验应力变形的影响

结合某抽水蓄能电站月牙肋钢岔管的工程实际情况,采用有限元方法对比分析了工程中水压试验通常使用的边界条件简化方法与同时考虑钢岔管结构自重、水重及实际支撑的仿真方法,研究了结构自重、水重、支座及摩擦系数等因素对岔管应力分布及变形的影响。结果表明,简化方法与仿真方法计算所得的钢岔管应力及变形十分接近,用这两种方法分析水压试验中的岔管应力分布及预估埋藏式钢岔管水压试验压力值均是可行的,该计算结果为现场水压试验提供了很好的参考。     

埋藏式月牙肋钢岔管结构三维有限元分析

采用三维有限元方法,应用自编的弹簧单元加载程序和ANSYS软件,考虑钢岔管与围岩间的缝隙值,按岔管与围岩联合承载,对某水电站的理藏式月牙肋钢岔管进行了结构计算,分析了钢衬、混凝土衬砌与围岩联合承载结构特性,探讨了围岩性能和初始缝隙值的敏感性.结果表明,钢岔管与围岩联合承载时钢衬及肋板应力变化梯度趋于平缓,围岩约束钢衬的...     

月牙肋岔管群水力损失模型试验与数值模拟结果的比较

为分析某水电站月牙肋岔管群水力损失问题,按岔管分岔角设计并做了2组月牙肋岔管群水力模型试验,同时推导出一套适用于粗糙区边壁的n-Ks关系方程及数值模型验证方法,既可将常规管道损失计算中的n值换算成Ks值,进而求出岔管沿程水力损失值。数值模拟结果表明,随着分岔角的增大,岔管水力损失增大,且分岔处岔管断面不均匀系数增大;随着月牙肋板内伸长度的增加,水力损失呈先减小后增大的趋势,水力损失与肋板长度关系曲线中存在极值;不同的月牙肋板内伸长度,板后脱落涡运动模式不同。模型试验及数值模拟计算结果的比较表明,数值模拟法求得的水力损失值大多小于模型试验值,二者相对误差分叉1出口处偏大,分叉2出口处波动最大,分叉3出口处最小。     

Y型月牙肋岔管导流板的水力特性试验研究

依据某电站内加强月牙肋岔管的水力学模型试验成果,给出一个正确确定导流板体型及尺寸的方法,并充分揭示了导流板的水力特性,对Y型对称月牙肋岔管中的水流流态、岔管顶部排气、水头损失、导流板两侧压差等问题进行了重点研究,所得结论与真实情况完全吻合。     

厦门抽水蓄能电站对称Y型月牙肋钢岔管缝隙值及单位弹抗敏感性分析

为了最大限度地满足岔管的水力需求与结构需求,以厦门抽水蓄能电站为例,根据工程布置,结合地质条件、水力条件、体形设计、运行条件和制作安装等因素,岔管采用对称Y形内加强月牙肋钢岔管,以明管准则限制埋藏式岔管围岩分担率,通过运行工况(埋藏式岔管)三维有限元计算,确定了设计初拟引水钢岔管体形的应力分布,并评判其应力分布合理性。计算结果表明,拟定的岔管体型可满足现行规范的要求。     

基于Solidworks的三岔形岔管有限元分析及优化设计

以辽宁省某输水工程沿线隧洞进口设置的三岔形岔管为例,采用Solidworks软件中的Solidworks Simulation模块对岔管进行了有限元分析与计算,提出了更为合理的三岔形钢岔管体型。结果表明,增加梁的内伸宽度、截面高度、厚度均可降低梁和管壳的应力,其中梁本身的应力降低效果比管壳明显;拉杆附近的管壳位移最大且集中;管壳与加强梁连接处应力较高且集中,尤其是靠近拉杆和U梁水平中线附近;对于对称式三岔形岔管,在一定的内水压力作用下,腰梁的应力均值大于U梁,主管的应力均值大于支管;对于自流式长距离输水工程而言,为减小水头损失,岔管的加强梁应与管壳内部大致平齐。     

基于三维有限元的卜型月牙肋钢岔管设计及应力分析

以新疆某水电站高压岔管为例,采用三维有限元法,研究了岔管初拟体型方案及管壁厚度,对初拟体型方案进行了优化,选取较为合理的岔管体型及管壁厚度,计算了岔管及肋板初拟方案和优化方案关键节点应力,并绘制优化后最终体型的肋板及岔管应力云图。结果表明,优化后体型采用较薄壁厚,肋板应力提高,管壳应力降低,更好地发挥了肋板的作用,体型较为合理;优化后其应力值均在允许应力范围内,且有一定裕度,表明岔管体型设计及壁厚选择较为合理,较为真实地反映了岔管运行期的应力状态。     

新疆克拉玛依市供水系统工程高压岔管群体型结构整体受力计算三维有限元优化分析

针对克拉玛依市中心城区供水系统工程的高压力水头、庞大且复杂的供水管线系统及超越规范的结构形式等诸多设计难点,通过建立贴边岔管群的整体受力模型进行三维有限元分析,找出岔管群中最薄弱钢岔管,使其应力满足要求,再逐级量化每个岔口应力,获得了岔管群中每个钢岔管在运行期时所处应力状态。结果表明,通过21组方案优化#1～#5钢岔管群结构尺寸,用最少的方案确定出每个钢岔管的最优体型;#5钢岔管群中的③支管处的补强板为最不利点;由于钢岔管补强板焊缝处属于变截面段,管壁刚度差异明显,导致补强板外边缘焊缝处的局部拉应力过大,需严格把关焊缝质量关键,尽量避免产生这类局部拉应力过大现象。     

月牙肋钢岔管与贴边钢岔管联合受力有限元优化分析

在"Y"型钢岔管旁接一个超压泄压贴边钢岔管进行有限元优化分析时,需采用单管受力计算或联合受力计算,才能确保所选管壁厚度满足现行规范要求。通过三维有限元计算对比联合受力分析与单体受力分析结果,以及超压泄压贴边钢岔管开孔位置对管壁整体应力的影响,找出最不利的受力计算方案及最合适的开孔位置。结果表明,联合计算贴边钢岔管应力大于单独计算时的应力,且开孔设置在第二管节最合理;类似开孔距离及管与管之间距离在2~3倍管节时有必要进行联合受力及开孔位置优选计算。这为钢岔管优化设计提供了借鉴。     

钢套筒混凝土压力管道内水压承载性能有限元分析

为了研究新型结构钢套筒混凝土压力管道(SSCP)的内水压承载性能,建立SSCP非线性有限元模型,通过施加管道自重、管道内水重和逐级增大的均匀内水压力模拟SSCP从生产到运行各个阶段的受力状况,得到各工况下SSCP的应力变化特点和塑性开展规律。结果表明,SSCP在内水压力较小、未达到开裂压力Pb的工况下处于完全弹性状态,各构件应力均能满足正常工作要求,安全度较高。随着内水压力的增加,达到Pb后,管底混凝土管芯内表面最先出现塑性并不断沿轴向和管腰方向扩展。在施加内水压力过程中,内层钢筒承担的拉应力大于外层钢筒。     

新疆布仑口超高水头钢岔管参数化设计及优化分析

新疆布仑口水电站有压发电隧洞末端钢岔管最大设计水头为750m,钢岔管水头(H)和洞径(D)的乘积(HD)值为2 400m2,属于典型的超高水头钢岔管,初选钢岔管管材的强度高、钢板厚度大,管径较小,从而增大了制作加工的难度。合理体型的钢岔管对发电系统安全运行非常重要,然而影响钢岔管管壁应力的因素较多,为了提高钢岔管的体型优化效率,通过钢岔管参数化设计平台快速建立模型,再导入有限元计算软件中对钢岔管体型进行优化分析,以达到降低制作难度、质量风险及工程投资目的,亦为今后水利工程中的钢岔管优化分析提供了借鉴。     

球形岔管与月牙肋岔管结构比较分析

结合某高水头水电站工程实例,采用AN SY S软件对球形岔管和月牙肋岔管进行了三维有限元计算,并对两种岔管型式进行比较。结果表明,月牙肋岔管优于球形岔管方案,结构紧凑可靠、制造和施工工艺简便、选材灵活、造价低、应用广泛。     

Exact yield hyper-surface for thin pipes

A yield hyper-surface for pipe sections subjected to combinations of normal forces, internal and external pressure, twisting moments, biaxial bending moments and biaxial shearing forces is developed. The formulation is based on the fully plastic capacity of the pipe as determined by the maximum distorsional energy density yield criterion. The solution is obtained by maximizing a lower bound analysis and yields a yield hyper-surface that is exact within the limitations of the formulation. The developments are expressed as universal non-dimensional relationships suitable for limit states design of elevated pipes, submerged pipes, offshore platforms and structural tubular steel members. Previously established interaction relations for bending moments, axial forces and internal pressure are recovered as a special case of the general solution. The merits of using the yield hyper-surface to characterize generalized plastic hinge behavior in elasto-plastic pipe stress analysis are presented.     

钢岔管三维参数化设计方法的研究与应用

针对现有的钢岔管三维设计和分析过程中存在的模型修正量大、耗时长、效率低等问题,以CAD和CAE的无缝结合为手段,实现参数化建模,从而降低模型修正量,提高设计精度和效率,通过EXCEL对参数进行分类管理,利用Autodesk Revit软件进行三维参数化建模,以SAT格式实现数据传递,并选取3个完工项目,采用CAE软件对钢岔管的网格密度、边界长度等影响钢岔管分析精度的关键因素进行敏感性分析。对达克曲克水电站钢岔管三维设计的应用结果表明,本文的设计方法具有合理性,结果可供水利水电工程其他结构的三维模型设计、分析、优化借鉴。     

Failure pressure of straight pipe with wall thinning under internal pressure

The failure pressure of pipe with wall thinning was investigated by using three-dimensional elastic–plastic finite element analyses (FEA). With careful modeling of the pipe and flaw geometry in addition to a proper stress–strain relation of the material, FEA could estimate the precise burst pressure obtained by the tests. FEA was conducted by assuming three kinds of materials: line pipe steel, carbon steel, and stainless steel. The failure pressure obtained using line pipe steel was the lowest under the same flaw size condition, when the failure pressure was normalized by the value of unflawed pipe defined using the flow stress. On the other hand, when the failure pressure was normalized by the results of FEA obtained for unflawed pipe under various flaw and pipe configurations, the failure pressures of carbon steel and line pipe steel were almost the same and lower than that of stainless steel. This suggests that the existing assessment criteria developed for line pipe steel can be applied to make a conservative assessment of carbon steel and stainless steel.