基于ANSYS的压力钢管的应力变形分析及其壁厚选择

第３Ｏ卷第２期　２０１３年４月　贵州大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　Ｖｏ１．３０　Ｎｏ．２　Ａｐｔ．２０１３　文章编号１０００—５２６９（２０１３）０２～０１１１—０４　基于ＡＮＳＹＳ的压力钢管的应力　变形分析及其壁厚选择　毛有智　（贵州水投水务有限责任公司，贵州贵阳５５０００３）　摘要：压力钢管作为水利水电工程中重要的输水建筑物之一，运行中需承受较高的水头。有必　要对其进行应力、变形分析。压力钢管选材一般用高强度钢。而高强度钢一般价格昂贵，因此从　节约实际工程造价的角度，又满足实际运行要求，需要对压力钢管壁厚慎重选择。用ＡＮＳＹＳ分　析了压力钢管应力、变形。使用得到的主应力结果，根据弹塑性力学强度理论公式计算不同壁厚　钢管的应力值，可以优化壁厚，有重要的工程指导意义。　关键词：压力钢管；ＡＮＳＹＳ；应力；位移；壁厚　中图分类号：ＴＶ３１４　文献标识码：Ａ　不变的切向刚度矩阵。　压力钢管¨　是一种水利水电工程中输水建　筑物的组成部分，在承受一定的水压下，将水从水　库、调压室、前池等位置，引入发电机，形成电能。　ＳＨＥＬＬ６３单元的几何形状、节点位置及坐标　系如图１所示单元定义需要４个节点、４个厚度、　一正因为压力钢管需承受较高的水压，故其钢材的选　择以及实际工作时应力、变形分析就显得格外重　要。压力钢管是一种薄壳结构，如在设计、运行过　程中稍有不当，则较容易产生事故。用于水电站的　钢材一般是高强度钢，能否在满足设计、运行的要　求，尽量降低钢管壁厚，节约工程造价，也是应当关　注的。　个弹性地基刚度和正交各向异性的材料。正交　各向异性的材料参数的方向依据单元坐标系，本文　考虑钢管材料为各向同性材料。在单元的面内，其　节点厚度为输入的４个厚度，单元的厚度假定为均　匀变化。如果单元厚度不变，只需输入ＴＫ（Ｉ）即　可；如果厚度是变化的，则四个节点的厚度均需输　入。本文输入ＡＮＳＹＳ实常数时，考虑用壳单元模　拟的钢管厚度相等，因此只输入ＴＫ（Ｉ），如图２所　示，表示钢管壁厚为２０　ｍｍ．这一步的设置很关键。　ｚｌ，　有限元作为一种区域型数值分析方法，已在水　利水电工程中得到了普遍应用，比如用来分析重力　坝　、闸室　一川、导流洞　、渗流　、基坑降水　等。下面拟用通用性有限元商业软件ＡＮＳＹＳ对压　力钢管进行应力、变形分析，优化选择壁厚。接下　来，首先对ＡＮＳＹＳ模拟过程中使用的壳单元及主　要设置进行概述。　１　ＡＮＳＹＳ单元类型的选择及主要设置　模拟压力钢管，本文选用ＳＨＥＬＬ６３单元。因　为ＳＨＥＬＬ６３单元同时具有模拟弯曲和膜的能力，　可以承受平面内荷载以及法向荷载。单元的每个　节点具有６个自由度：即，沿节点坐标系ｘ、Ｙ、ｚ方　图１　ＳＨＥＬＬ６３单元几何模型图　弹性地基刚度（ＥＦＳ）定义：在地基法线方向产　向的平动和转动。应力刚化和大变形能力已经考　虑在其中。在大变形分析（有限转动）中可以采用　收稿日期：２０１３一Ｏ１—０２　生一个单位位移所需要的压力。如果ＥＦＳ小于或　者等于０，则弹性地基的效应将被忽略，本文无需　输入。对于一些非均匀壳的情况，单元提供了以下　作者简介：毛有智（１９６９一），男，贵州贵定人，工程师，从事水利水电工程及项目建设管理工作，Ｅｍａｉｌ：ｍａｏｙＯＵＺｉ＠１２６．ｃｏｍ．　通讯作者：毛有智，Ｅｍａｉｌ：ｍａｏｙｏｕｚｉ＠１２６．ＣＯＩＴＩ．　第２期　毛有智：基于ＡＮＳＹＳ的压力钢管的应力变形分析及其壁厚选择　图７直线段压力钢管Ｙ方向位移图　利用ＡＮＳＹＳ的参数化命令流ＡＰＤＬ，对ｘ、Ｙ　方向应力、位移进行列表排序，并　ｇｅｔ提出对应　的最大值、最小值，见表１．　表１　直线段压力钢管Ｘ、Ｙ方向最大、　最小应力、位移值　３压力钢管壁厚选择　从表１可以看出，应力、位移值是满足规范要　求的。因为ＨＲＢ４００、ＲＲＢ４００的强度设计值是３６０　ＭＰａ．高强度钢的强度设计值更可以达到６００　ＭＰａ　左右。压力钢管壁厚需满足规范［１１］最小壁厚及　有经济壁厚等公式要求。其实，在一定的工作水头　作用下，压力钢管随着壁厚的变化，应力、位移的最　大、最小值也是不断变化的，而且可以根据弹塑性　第三、第四强度理论　。。　Ｊ，对其壁厚进行优化选　择。为此，分析２节中压力钢管实例，在材料常数、　工作水头均不变情况下，选择不同的壁厚计算第　三、第四强度值，并给出对应的最大、最小ｘ、Ｙ方　向位移值。　第三强度理论（最大切应力理论）　ｌ一　３≤［　］　（２）　第四强度理论（形状改变比能理论）　ｏｒ　＋　；＋ｏｒ；一　ｌ　２一　ｌ　３一　２　３　≤　［　］　（３）　式（２）、（３）中，　、　、　分别为第１、２、３　主应力，本文取最大应力处节点的三向主应力值；　［　］为容许应力，即钢管极限抗拉强度设计值。　由公式（１）得，最小钢管壁厚为１０．２５　ｍｍ．从　１１　ｍｍ一２０　ｍｍ分别给出计算结果，见表２．　表２直线段压力钢管不同壁厚的应力、　ｘ、Ｙ方向最大、最小位移值　擘厚　ｌ１　ｍｍ　５７７．５４　５０３．４７　７．７７／一７．７７　７．７７／一７．７７　１２　ｍｍ　５２７．７０　４６０．１６　６．７６／一６．７６　６．７６／一６．７６　１３　ｍｍ　４８５．２８　４２３．３０　６．００／一６．００　６．００／一６．００　１４　ｍｍ　４４８．７３　３９１．５３　５．４０／一５．４０　５．４０／一５．４０　１５　ｍｍ　４１６．９２　３６３．８９　４．９０／一４．９０　４．９０／一４．９０　１６　ｍｍ　３８９．０１　３３９．６４　４．４７／一４．４７　４．４７／一４．４７　１７　ｍｍ　３６４．３２　３１８．１８　４．１１／一４．１１　４．１１／一４．１１　１８　ｍｍ　３４２．３４　２９９．０９　３．８０／一３．８０　３．８０／一３．８０　１９　ｍｉｌｌ　３２２．６６　２８１．９８　３．５４／一３．５４　３．５４／一３．５４　２０　ｍｍ　３０４．９５　２６６．６０　３．３３／一３．３３　３．３３／一３．３３　从表２可以看出，如果选择的容许应力值［　］　为３６０　ＭＰａ，则选择１８　ＩＴｔｌ＇ｎ壁厚就可以了。当然如　果对实际工程进行设计，那么压力钢管所受的其它　荷载也应考虑进去，比如自重、地震荷载等，上述计　算结果就应多增加几个ｍｍ．　４　结论　（１）详细展示了ＳＨＥＬＩ￣５３单元的属性，及模拟　压力钢管需注意的事项，即ＡＮＳＹＳ实常数项ＴＫ　（Ｉ）必须给出，其他实常数项可以不用给出。　（２）用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对一水平段压　力钢管进行分析，得到了最大、最小ｘ、Ｙ方向应　力、位移值，对判断选用当前壁厚是否符合规范要　求有工程指导意义。　（３）根据第２点结论的实现过程，模拟分析不　同壁厚的压力钢管。采用弹塑性力学第三、第四强　度理论计算对应壁厚的应力值，与容许应力进行比　较，可以优化压力钢管壁厚选择，节约工程造价，增　加对实际工况安全性的判断。　参考文献：　［１］汪观鸿，李涛，孙学良．Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ、ＡｕｔｏＰＯＬｆｏｒＷｉｎｄｏｗｓ软件在　压力钢管制造中的应用［Ｊ］．四川水利，２０１２（６）：３８—４０．　［２］童焕初．关坎电站压力钢管的破坏与修复［Ｊ］．大坝与安全，　２０１２ｆ３）：５６—５７．　［３］张伟，张瑾，杨绿峰，等．考虑应变硬化的水电站压力钢管整体　安全评估［Ｊ］．水利水电技术，２０１２（１２）：８２—８５．　［４］刘军明．沙沱水电站压力钢管接触灌浆施工技术［Ｊ］．内蒙古　水利．２０１２（６）：１０５—１０７．　［５］廖俊刚．百色水利枢纽溢流重力坝空间有限元分析研究［Ｊ］．　广西水利水电，２０００（２）：４６—４９．　［６］付建科，雷小平，范万里．葛洲坝水利枢纽二号船闸叠梁门有　・ｌ１４・　贵州大学学报（自然科学版）　第３０卷　限元分析［Ｊ］．三峡大学学报（自然科学版），２００９（３）：２２—　２４．　　，［１０］乔翠玲，纪伟，姜媛媛．水利枢纽工程基坑降水问题的有限元　分析［Ｊ］．黑龙江水专学报，２００５（４）：１７—１９．　［１１］水电站压力钢管设计规范ＳＬ２８１－２００３［ｓ］．　［１２］范钦珊，郭光林．工程力学２［Ｍ］．北京市：高等教育出版　社，２０１ｌ：２０３—２０８．　［７］付建科，范万里，卢进玉，等．葛洲坝水利枢纽二号船闸事故检　修门有限元分析［Ｊ］．水力发电，２００９（１０）：８２—８４．　［８］王庆国．某大断面水利导流洞工程台阶法开挖有限元数值分　析［Ｊ］．常州工学院学报，２０１０：１４—１８．　（责任编辑：王先桃）　［９］李新强，陈祖煜．糯扎渡水利枢纽左岸山体三维渗流有限元分　析［Ｊ］．岩土力学，２００５（４）：６３８—６４１．　Ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｅｎｓｔｏｃｋ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＮＳＹＳ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅｎ　Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｗａｌｌ　Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ＭＡ０　Ｕｏｕ．ｚｈｉ　（Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｗａｔｅｒ　Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ＆ｗａｔｅｒ　Ｃｏ．，ＬＴＤ，Ｇｕｉｙａｎｇ　５５０００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ－ｃｏｎｖｅｙａｎｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ　ｐｅｎ—　ｓｔｏｃｋ　ｎｅｅｄｓ　ｔｏ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｈｉｇｈ　ｗａｔｅｒ　ｈｅａｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｉｔｓ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｏｆ　ｐｅｎ．　ｓｔｏｃｋ　ｉｓ　ｇｅｎｅｒａｌｌｙ　ｈｉｇｈ—ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｓｔｅｅ１．Ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｓｔｅｅｌ　ｉｓ　ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒ—　ｉｎｇ　ｃｏｓｔ　ｓａｖｉｎｇ，ａｎｄ　ｍｅｅｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｉｔ　ｎｅｅｄｓ　ｔｏ　ｃａｒｅｆｕｌｌｙ　ｓｅｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｐｅｎｓｔｏｃｋ　ｗａｌｌ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｎｓｔｏｃｋ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ＡＮＳＹＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｌａｓ－　ｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｖａｌｕｅ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｃａｎ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｗａｌｌ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ａｎｄ　ｈａｖｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｅｎｓｔｏｃｋ；ＡＮＳＹＳ；ｓｔｒｅｓｓ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｗａｌｌ—ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ