CN109598039B - 对称三岔形梁式岔管及其设计方法 - Google Patents

对称三岔形梁式岔管及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于岔管及其设计技术领域，具体公开了一种对称三岔形梁式岔管的设计方法及采用该方法设计制造的对称三岔形梁式岔管，旨在解决现有的对称三岔形梁式岔管的设计方法对设计人员的经验要求较高的问题。该对称三岔形梁式岔管的设计方法根据设计要求，以主管的轴线和分岔点为基准首先确定出分岔角ω和各支管的轴线，然后再设计主、支管的基本锥，接着确定相贯线，并设计主、支管的过渡锥，最后设计出加强梁；通过将对称三岔形梁式岔管以构件的方式进行拆解分步设计，利于针对每个构件设置合理的控制参数体系，使得体型参数调整的目标明确，且使各参数的影响链较短，降低了设计难度，对设计人员的经验要求不高。

Description

对称三岔形梁式岔管及其设计方法
技术领域
本发明属于岔管及其设计技术领域，具体涉及一种对称三岔形梁式岔管及其设计方法。
背景技术
岔管是水电站压力输水系统中用于分流以及合流的重要构件，而对称三岔形梁式岔管是最常用的岔管之一。如图1所示，对称三岔形梁式岔管主要由主管A、第一支管B、第二支管C、第三支管D以及加强梁E构成，是一种体型复杂的空间曲面薄壁结构，通常由钢材制成，分岔部位各管的相贯线交于一点。主管A、第一支管B、第二支管C和第三支管D通常均包括基本锥、过渡锥和闷头，且各管的基本锥连为一体。
对称三岔形梁式岔管的主、支管合计四条，各空间曲面的参数影响关系错综复杂，传统采用特征线运算方法进行设计。该方法首先逐次拟定岔管每个管节的腰线长度和腰线折角；之后，通过腰线折角计算相应管节的半锥角、公切球半径和各支管腰线折点，从而确定岔管体型。现有对称三岔形梁式岔管的设计方法对设计人员的经验要求较高，一旦设计参数选取不合理，或者是主从关系颠倒会导致管节曲面出现几何矛盾，无法获得体型成果。而且，参数的影响链很长，体型设计时某个参数调整会导致大量管节体型调整，梳理追溯参数的互相影响关系的难度很大，一旦出错很难追溯错误原因，往往不得不再从头开始设计，设计工作量大，工作效率低。
发明内容
本发明提供了一种对称三岔形梁式岔管的设计方法，旨在解决现有的对称三岔形梁式岔管的设计方法对设计人员的经验要求较高的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：对称三岔形梁式岔管的设计方法，包括下列步骤：
步骤一，以主管的轴线和分岔点为基准，并根据设计要求确定分岔角ω以及第一支管、第二支管和第三支管各自的轴线，ω＜90°；
步骤二，首先，根据设计要求确定主管的最大半径RA、主管的基本锥的半锥角αA、第一支管的最大半径RB和第一支管的基本锥的半锥角αB；其次，以分岔点作为主管、第一支管、第二支管和第三支管各自基本锥的公切球的球心，并根据RA、RB、αA和αB确定所述公切球的半径R0；最后，计算第二支管的基本锥的半锥角αC，第三支管的基本锥的半锥角αD与第一支管的基本锥的半锥角αB相等；
步骤三，以任意两个基本锥的腰线的交点确定该两个基本锥的相贯线；
步骤四，分别对主管、第一支管、第二支管和第三支管，从基本锥往远岔方向逐节设计过渡锥；过渡锥的节数为n，n为整数且0≤n≤4；过渡锥各节的锥边线相等，且各节的半锥角以n为自变量线性变化；
步骤五，以任意相邻的两个基本锥的相贯线为基准线，并根据椭圆曲线方程设计出该基准线所对应的加强梁。
进一步的是，步骤二中，所述公切球的半径R0由公式1计算得到；
RO＝K×RA……………………公式1；
其中，K为岔管扩大系数，1.05≤K≤1.15。
进一步的是，步骤四中，所述过渡锥与其对应的基本锥平滑过渡连接，所述过渡锥各节平滑过渡连接。
进一步的是，步骤五中，加强梁包括加强梁内轮廓线和加强梁外轮廓线，加强梁内轮廓线和加强梁外轮廓线的各参数由以下公式计算得到；
Figure BDA0001874518370000021
ao＝a+Lo………………………公式3；
Figure BDA0001874518370000022
ai＝a-Li………………………公式5；
Figure BDA0001874518370000023
其中，L是作为基准线的相贯线的椭圆弧段水平投影长度；
a是作为基准线的相贯线的椭圆水平半轴；
b是作为基准线的相贯线的椭圆竖直半轴；
H是作为基准线的相贯线的椭圆弧竖直方向的半高；
ai是加强梁内轮廓椭圆的水平半轴；
bi是加强梁内轮廓椭圆的竖直半轴；
Li是加强梁内轮廓线的水平方向内伸宽度；
Hi是加强梁内轮廓线的竖直方向内伸尺寸；
ao是加强梁外轮廓椭圆的水平半轴；
bo是加强梁外轮廓椭圆的竖直半轴；
Lo是加强梁外轮廓线的水平方向外伸宽度；
Ho是加强梁外轮廓线的竖直方向外伸尺寸。
进一步的是，该对称三岔形梁式岔管的设计方法还包括步骤六；
步骤六，在基本锥或过渡锥的远岔端设计闷头。
进一步的是，所述闷头呈半椭球形或半球形。
进一步的是，αA、αB、αC和αD均小于20°。
进一步的是，所述设计要求包括设计参数要求，所述设计参数要求包括设计水头以及所选制作材料的密度、弹性模量和泊松比。
本发明还提供了一种便于设计制造且满足使用要求的对称三岔形梁式岔管，其由任意一种上述的对称三岔形梁式岔管的设计方法设计制造而成。
进一步的是，上述的对称三岔形梁式岔管由钢制成。
本发明的有益效果是：该对称三岔形梁式岔管的设计方法根据设计要求，以主管的轴线和分岔点为基准首先确定出分岔角ω和各支管的轴线，然后再设计主、支管的基本锥，接着确定相贯线，并设计主、支管的过渡锥，最后设计出加强梁；通过将对称三岔形梁式岔管以构件的方式进行拆解分步设计，利于针对每个构件设置合理的控制参数体系，使得体型参数调整的目标明确，且使各参数的影响链较短，降低了设计难度，对设计人员的经验要求不高；同时，该方法整个设计流程清晰，利于设计过程中对岔管体型的整体把握，提高了岔管体型设计技术水平，从而能够快捷、可靠地设计出体型合理、应力水平合理可控、材料经济的对称三岔形梁式岔管。
附图说明
图1是对称三岔形梁式岔管的结构示意图；
图2是顺水流向基本锥的设计标注图；
图3是四节过渡锥的设计标注图；
图4是加强梁的设计标注图；
图中标记为：主管A、第一支管B、第二支管C、第三支管D、加强梁E、分岔点0、作为基准线的相贯线10、加强梁内轮廓线20和加强梁外轮廓线30。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
结合图1、图2、图3和图4所示，对称三岔形梁式岔管的设计方法，包括下列步骤：
步骤一，以主管A的轴线和分岔点0为基准，并根据设计要求确定分岔角ω以及第一支管B、第二支管C和第三支管D各自的轴线，ω＜90°；设计要求包括设计参数要求，设计参数要求通常包括设计水头、材料密度、材料弹性模量、材料泊松比等；
步骤二，设计基本锥；首先，根据设计要求确定主管A的最大半径RA、主管A的基本锥的半锥角αA、第一支管B的最大半径RB和第一支管B的基本锥的半锥角αB；其次，以分岔点O作为主管A、第一支管B、第二支管C和第三支管D各自基本锥的公切球的球心，并根据RA、RB、αA和αB确定所述公切球的半径R0；最后，计算第二支管C的基本锥的半锥角αC；由于对称三岔形梁式岔管以主管A的轴线对称，因此第三支管D的基本锥的半锥角αD与第一支管B的基本锥的半锥角αB相等；通常第二支管C的最大半径Rc和第三支管D的最大半径RD也根据设计要求预先确定；一般使αA、αB、αC和αD均小于20°；该步骤中，所述公切球的半径R0由公式1计算得到；
RO＝K×RA……………………公式1；
其中，K为岔管扩大系数，1.05≤K≤1.15；
在步骤二中，第二支管C的基本锥的半锥角αC优选采用以下方法计算：结合图2所示，LA1和LA2表示主管A的基本锥的腰线，LB1和LB2表示第一支管B的基本锥的腰线，LC1表示第二支管C的基本锥的腰线，LD1和LD2表示第三支管D的基本锥的腰线；首先，确定主管A的基本锥的腰线与第一支管B的基本锥的腰线的交点P1和P2，连接P1和P2并与主管A的轴线相交于P点；其次，过P点作主管A的轴线的垂线，该垂线与LA1相交与点P3，其与LA2相交与点P4；最后，过P3点作第二支管C与公切球的切线LC2，切线LC2也即第二支管C的基本锥的腰线，切线LC2与第二支管C的基本锥的轴线的夹角即为第二支管C的基本锥的半锥角αC；
步骤三，以任意两个基本锥的腰线的交点确定该两个基本锥的相贯线；
步骤四，分别对主管A、第一支管B、第二支管C和第三支管D，从基本锥往远岔方向逐节设计过渡锥；过渡锥的节数为n，n为整数且0≤n≤4；过渡锥各节的锥边线相等，且各节的半锥角以n为自变量线性变化；该步骤中，一般使过渡锥与其对应的基本锥平滑过渡连接，并使过渡锥各节平滑过渡连接；通常将各过渡锥各节从基本锥往远岔方向依次排序，第一节过渡锥的半锥角αf，第二节过渡锥的半锥角(n-1)/nαf，第三节过渡锥的半锥角(n-2)/nαf，第四节过渡锥的半锥角(n-3)/nαf；例如图3所示的过渡锥的节数为4，Lf表示各节的锥边线长度；将各过渡锥各节从基本锥往远岔方向依次排序，各节过渡锥的半锥角依次为αf、3/4αf、2/4αf和1/4αf；
步骤五，以任意相邻的两个基本锥的相贯线为基准线，并根据椭圆曲线方程设计出该基准线所对应的加强梁E。加强梁E的尺寸一般根据设计要求进行确定。
优选的，结合图4所示，步骤五中，加强梁E包括加强梁内轮廓线20和加强梁外轮廓线30，加强梁内轮廓线20和加强梁外轮廓线30的各参数由以下公式计算得到；
Figure BDA0001874518370000041
ao＝a+Lo………………………公式3；
Figure BDA0001874518370000051
ai＝a-Li………………………公式5；
Figure BDA0001874518370000052
其中，L是作为基准线的相贯线10的椭圆弧段水平投影长度；
a是作为基准线的相贯线10的椭圆水平半轴；
b是作为基准线的相贯线10的椭圆竖直半轴；
H是作为基准线的相贯线10的椭圆弧竖直方向的半高；
ai是加强梁内轮廓椭圆的水平半轴；
bi是加强梁内轮廓椭圆的竖直半轴；
Li是加强梁内轮廓线20的水平方向外伸宽度；
Hi是加强梁内轮廓线20的竖直方向外伸尺寸；
ao是加强梁外轮廓椭圆的水平半轴；
bo是加强梁外轮廓椭圆的竖直半轴；
Lo是加强梁外轮廓线30的水平方向外伸宽度；
Ho是加强梁外轮廓线30的竖直方向外伸尺寸。
步骤五中，加强梁E的内轮廓线的椭圆曲线方程为
Figure BDA0001874518370000053
加强梁E的外轮廓线的椭圆曲线方程为
Figure BDA0001874518370000054
作为本发明的一种优选方案，该对称三岔形梁式岔管的设计方法还包括步骤六；
步骤六，在基本锥或过渡锥的远岔端设计闷头。闷头用于将管道封闭以进行打压试验，岔管正式安装时闷头将被切除；为了保证闷头的封闭效果并便于制造，优选将闷头设计为半椭球形或半球形结构。
具体的，该对称三岔形梁式岔管的设计方法还包括步骤七；
步骤七，设计成果输出。设计成果一般包括对称三岔形梁式岔管的三维模型、岔管体型几何特征参数、岔管非几何参数等。
为了提高设计效率，该对称三岔形梁式岔管的设计方法通常还包括体型参数智能控制，体型参数智能控制包括基本判别和合规判别。
基本判别属于强制判别，即岔管各构件体型设计过程中，当参数取值不合理导致曲面运算几何无解时触发错误警告；基本判别主要判别是否会因为参数不合理导致岔管体型无法成立。如分岔角ω≤主管A的基本锥的半锥角αA时，第一支管B的基本锥不成立。基本判别的作用是保障设计过程中体型参数取值的合理性，具体通过在设计流程中通过前序拟定的设计参数求解后续参数的值域范围，将拟定的设计参数值与求解的值域范围进行对比判断。
合规判别则是基于规范和设计经验对参数值域范围进行的判别，即当设计参数不合理导致体型参数与拟定的设计参数范围不符时，触发提醒警告。合规判别主要是给出各个体型参数的经验取值和规范要求，它比基本判别的几何解更严格，通常体现在步骤二中各半锥角的取值范围、焊缝间距、公切球半径扩大系数等。
优选的，体型参数智能控制还包括智能取值功能；智能取值功能是指在前序步骤的基本判别和合规判别获得的合理的值域范围后，如果设计值不满足值域范围要求，则在值域范围内选一个可用的参数值，当值域范围有上下限时，在上下限范围内取值；当值域范围仅有下限时，取下限的m倍，m＞1。在此过程中，根据关联参数计算分析参数的值域范围，给错误、报警参数赋予一个合理的值；通常在触发错误警告和提醒警告的同时，启动智能取值功能。
通过体形参数智能控制能够在结构参数不合理时发出警告提示并为参数智能取值，以减少设计人员梳理参数逻辑影响关系的工作，保障设计成果的合规性和有效性，提高设计成果质量。参数智能判别过程，还可以在参数不合理时及时给设计人员提供参数的几何可行范围，方便设计人员及时把握岔管的空间尺度，快速选取合理的参数值，大大提高了设计效率。该对称三岔形梁式岔管的设计方法在结构拆解、参数设置时还统筹考虑了数值仿真计算的需求，构建了完整的有限元计算基础数据，达到了结构体型设计成果和有限元计算数据一致的目标，利于实现与CAD\CAE工作流程的无缝衔接。
本发明所提供的对称三岔形梁式岔管的设计方法，可以提高岔管体型设计技术水平，利于快捷、可靠地设计出体型合理、应力水平合理可控、材料经济的对称三岔形梁式岔管，设计流程清晰，体型参数调整的目标明确，能够降低设计难度，提升设计效率。
本发明还提供了一种对称三岔形梁式岔管，其由任意一种上述的对称三岔形梁式岔管的设计方法设计制造而成。该对称三岔形梁式岔管设计制造方便，工作量小，效率较高，且满足应力控制、水力学条件和施工构造等要求。该对称三岔形梁式岔管可采用多种材料进行制造，优选由钢制成。

Claims (9)

1.对称三岔形梁式岔管的设计方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，以主管(A)的轴线和分岔点(O)为基准，并根据设计要求确定分岔角ω以及第一支管(B)、第二支管(C)和第三支管(D)各自的轴线，ω＜90°；
步骤二，首先，根据设计要求确定主管(A)的最大半径RA、主管(A)的基本锥的半锥角αA、第一支管(B)的最大半径RB和第一支管(B)的基本锥的半锥角αB；其次，以分岔点(O)作为主管(A)、第一支管(B)、第二支管(C)和第三支管(D)各自基本锥的公切球的球心，并根据RA、RB、αA和αB确定所述公切球的半径RO；最后，计算第二支管(C)的基本锥的半锥角αC，第三支管(D)的基本锥的半锥角αD与第一支管(B)的基本锥的半锥角αB相等；
步骤三，以任意两个基本锥的腰线的交点确定该两个基本锥的相贯线；
步骤四，分别对主管(A)、第一支管(B)、第二支管(C)和第三支管(D)，从基本锥往远岔方向逐节设计过渡锥；过渡锥的节数为n，n为整数且0≤n≤4；过渡锥各节的锥边线相等，且各节的半锥角以n为自变量线性变化；
步骤五，以任意相邻的两个基本锥的相贯线为基准线，并根据椭圆曲线方程设计出该基准线所对应的加强梁(E)，加强梁(E)包括加强梁内轮廓线(20)和加强梁外轮廓线(30)，加强梁内轮廓线(20)和加强梁外轮廓线(30)的各参数由以下公式计算得到；
Figure FDA0003644879860000011
ao＝a+Lo………………………公式3；
Figure FDA0003644879860000012
ai＝a-Li………………………公式5；
Figure FDA0003644879860000013
其中，L是作为基准线的相贯线(10)的椭圆弧段水平投影长度；
a是作为基准线的相贯线(10)的椭圆水平半轴；
b是作为基准线的相贯线(10)的椭圆竖直半轴；
H是作为基准线的相贯线(10)的椭圆弧竖直方向的半高；
ai是加强梁内轮廓椭圆的水平半轴；
bi是加强梁内轮廓椭圆的竖直半轴；
Li是加强梁内轮廓线(20)的水平方向内伸宽度；
Hi是加强梁内轮廓线(20)的竖直方向内伸尺寸；
ao是加强梁外轮廓椭圆的水平半轴；
bo是加强梁外轮廓椭圆的竖直半轴；
Lo是加强梁外轮廓线(30)的水平方向外伸宽度；
Ho是加强梁外轮廓线(30)的竖直方向外伸尺寸。
2.如权利要求1所述的对称三岔形梁式岔管的设计方法，其特征在于：步骤二中，所述公切球的半径RO由公式1计算得到；
RO＝K×RA……………………公式1；
其中，K为岔管扩大系数，1.05≤K≤1.15。
3.如权利要求1所述的对称三岔形梁式岔管的设计方法，其特征在于：步骤四中，所述过渡锥与其对应的基本锥平滑过渡连接，所述过渡锥各节平滑过渡连接，过渡锥各节的锥边线相等，且各节的半锥角以n为自变量线性变化。
4.如权利要求1所述的对称三岔形梁式岔管的设计方法，其特征在于：还包括步骤六；
步骤六，在基本锥或过渡锥的远岔端设计闷头。
5.如权利要求4所述的对称三岔形梁式岔管的设计方法，其特征在于：所述闷头呈半椭球形或半球形。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的对称三岔形梁式岔管的设计方法，其特征在于：αA、αB、αC和αD均小于20°。
7.如权利要求1至5中任意一项所述的对称三岔形梁式岔管的设计方法，其特征在于：所述设计要求包括设计参数要求，所述设计参数要求包括设计水头以及所选制作材料的密度、弹性模量和泊松比。
8.对称三岔形梁式岔管，其特征在于：由权利要求1至7中任意一项所述的对称三岔形梁式岔管的设计方法设计制造而成。
9.如权利要求8所述的对称三岔形梁式岔管，其特征在于：由钢制成。
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