CN110705169B - 一种改进的贴边岔管计算模型 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种改进的贴边岔管计算模型，属于贴边岔管计算模型领域。本发明技术方案要点为：以主板的一个表面为基准建立贴边岔管的几何模型；选择壳单元类型，并在单元选项结果存储中设置为所有层及中面结果；选定材料的所述几何模型并设置所述材料的相关物理力学参数；分别设置非补强区和补强区的壳单元截面参数；将所述壳单元截面参数分别赋予不同区域，划分网格，形成网格模型；对网格模型施加荷载、约束条件并计算主板和补强板的应力；分别提取计算出的主板和补强板的应力；判断计算出的主板和补强板的应力是否在规定范围内，若是，则表示所述几何模型符合要求，否则分别调整主板和补强板的相关设计参数，直至所述几何模型符合要求。

Description

一种改进的贴边岔管计算模型
技术领域
本发明涉及贴边岔管计算模型领域，特别涉及一种改进的贴边岔管计算模型。
背景技术
贴边岔管是在主、支管相贯线两侧一定范围内的内侧和/或外侧，设置与管壳紧密贴合的补强板加固。贴边岔管结构分析方法主要有面积补偿法、圆环法和有限元法。前两种方法具有一定的局限性，且计算精度不高，主要依靠工程经验进行结构设计，设计方案一般过于保守，难以进行大型贴边岔管的设计。
而有限元法主要采用壳单元计算模型，该模型目前存在的主要问题包括：(1)一般采用SHELL63壳单元建立数值模型，该壳单元计算精度不高。(2)将补强区主、支管主板和补强板视为一体，采用单层壳单元进行模拟，无法按规范要求分别分析主板和补强板结构受力及其安全性评价，进而无法进行主板和补强板的针对性优化设计。(3)由于补强区采用单层壳单元模拟，且采用默认的壳单元中面对齐，导致数值模型与实际设计方案不一致、计算结果不准确。
因此，如何提高贴边岔管有限元计算模型的准确性与合理性，以及在安全的前提下优化贴边岔管设计方案，是设计人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的贴边岔管计算模型，能够更合理地分别进行主板和补强板结构的分析。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：一种改进的贴边岔管计算模型，包括以下步骤：
a、以主板的一个表面为基准建立贴边岔管的几何模型；
b、选择壳单元类型，并在单元选项结果存储中设置为所有层及中面结果；
c、选定材料的所述几何模型并设置所述材料的相关物理力学参数；
d、分别设置非补强区和补强区的壳单元截面参数；
e、将所述壳单元截面参数分别赋予不同区域，划分网格，形成网格模型；
f、对网格模型施加荷载、约束条件并计算主板和补强板的应力；
g、分别提取计算出的主板和补强板的应力；
h、判断计算出的主板和补强板的应力是否在规定范围内，若是，则表示所述几何模型符合要求，否则分别调整主板和补强板的相关设计参数，重复步骤a～g，直至所述几何模型符合要求。
具体的是，步骤a中，所述表面为内表面或中面或外表面。
进一步的是，步骤a中，在有限元软件中建立所述贴边岔管的几何模型。
具体的是，所述有限元软件为ANSYS软件或ABAQUS软件或MARC软件。
进一步的是，步骤b中，所述选择的壳单元类型为高阶壳单元。
具体的是，当有限元软件为ANSYS软件时，所述高阶壳单元为SHELL181单元或SHELL281单元。
进一步的是，步骤c中，所述材料的相关物理力学参数为钢材的弹性模量和泊松比。
具体的是，步骤d中，对于非补强区，所述壳单元的截面参数通过单层壳单元设置，分别设置主管及支管的主板厚度和材料号，截面偏移选择Bottom-Plane；
对于补强区，所述壳单元的截面参数通过n层壳单元设置，分别设置主管及支管的主板厚度和材料号、补强板厚度和材料号，截面偏移选择Bottom-Plane，其中，n为补强板层数+1。
进一步的是，步骤f中，所述应力包括整体膜应力、局部膜应力和局部膜应力+弯曲应力。
本发明的有益效果是，通过上述一种改进的贴边岔管计算模型，保证计算模型与实际设计方案几何尺寸一致；能够分别计算并判断主板和补强板的应力是否在规定范围内，明确需调整部位及其设计参数，使结构设计更高效。
附图说明
图1为本发明一种改进的贴边岔管计算模型的流程图；
图2是典型贴边岔管示意图；
图3是贴边岔管纵剖面设计图；
图4是贴边岔管俯视设计图；
图5是贴边岔管补强区局部大样图；
图6是ANSYS软件中贴边岔管几何模型局部图；
图7是ANSYS软件中贴边岔管网格模型局部图；
图8是贴边岔管补强区真实几何形状图；
其中：主管1、主管主板11、支管2、支管主板21、主锥管3、支锥管4、外补强板5、第一层外补强板51、第二层外补强板52、内补强板6。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，详细描述本发明的技术方案。
本发明所述一种改进的贴边岔管计算模型，流程图参见图1，其中，该方法包括以下步骤：
a、以主板的一个表面为基准建立贴边岔管的几何模型。
b、选择壳单元类型，并在单元选项结果存储中设置为所有层及中面结果。
c、选定材料的所述几何模型并设置所述材料的相关物理力学参数。
d、分别设置非补强区和补强区的壳单元截面参数。
e、将所述壳单元截面参数分别赋予不同区域，划分网格，形成网格模型。
f、对网格模型施加荷载、约束条件并计算主板和补强板的应力。
g、分别提取计算出的主板和补强板的应力。
h、判断计算出的主板和补强板的应力是否在规定范围内，若是，则表示所述几何模型符合要求，否则分别调整主板和补强板的相关设计参数，重复步骤a～g，直至所述几何模型符合要求。
上述方法的步骤a中，表面可以为内表面或中面或外表面，并且，一般在有限元软件中建立所述贴边岔管的几何模型，为了设计人员使用方便，有限元软件可以为ANSYS软件。
步骤b中，为了保证计算结果更准确，选择的壳单元类型优先为高阶壳单元，一般情况下，当有限元软件为ANSYS软件时，高阶壳单元可以为SHELL181单元或SHELL281单元。
步骤c中，材料的相关物理力学参数一般为钢材的弹性模量和泊松比。
步骤d中，对于非补强区，壳单元的截面参数通过单层壳单元设置，分别设置主管及支管的主板厚度和材料号，截面偏移选择Bottom-Plane；
对于补强区，壳单元的截面参数通过n层壳单元设置，分别设置主管及支管的主板厚度和材料号、补强板厚度和材料号，截面偏移选择Bottom-Plane，其中，n为补强板层数+1。
步骤f中，应力包括整体膜应力、局部膜应力和局部膜应力+弯曲应力。
步骤h中，根据《水电站压力钢管设计规范》(NB/T 35056-2015)相关条文，评价设计方案的合理可行性：若合理可行，则设计方案确定；若不可行或不合理或过于保守，则分别调整主板和补强板相关设计参数，重复步骤a～g直至设计方案合理可行。
因此，本发明采用高精度、单/多层壳单元计算模型进行多层补强板贴边岔管的结构分析，在一定程度上提高了贴边岔管计算分析的准确性与合理性；分别独立评价主板和补强板安全性，便于设计人员按照规范要求进行结构设计及优化设计；避免了解析法的保守设计，修正了原有限元计算模型的不合理之处，发展了贴边岔管的计算方法与理论；在保证结构安全的前提下尽可能发挥钢材性能，节约工程投资，促进了布置复杂的大型贴边岔管的发展。
实施例
本发明实施例的一种改进的贴边岔管计算模型，适用于多层补强板贴边岔管的结构分析，主要包括以下步骤：
建立几何模型：根据图2～图6的贴边岔管设计图，图2是典型贴边岔管示意图，图3是贴边岔管纵剖面设计图，图4是贴边岔管俯视设计图，图5是贴边岔管补强区局部大样图，在ANSYS软中贴边岔管几何模型局部图参见图6，其中：主管1、主管主板11、支管2、支管主板21、主锥管3、支锥管4、外补强板5、第一层外补强板51、第二层外补强板52、内补强板6。
设置单元类型：本例中选择4节点SHELL181单元，单元选项中结果存储设置为所有面和中面结果。
设置材料属性：选择线弹性本构模型，输入钢材的弹性模量和泊松比。
设置截面属性：对于非补强区，截面属性通过单层壳单元设置，主要设置主管1和支管2的主板厚度和材料号，截面偏移选择Bottom-Plane。对于补强区，截面属性通过三层壳单元设置，分别设置主管1和支管2的主板厚度和材料号、第一层外补强板51厚度和材料号、第二层外补强板52厚度和材料号，截面偏移选择Bottom-Plane。
划分网格：针对几何模型进行网格划分，如图7所示，其为ANSYS软件中贴边岔管网格模型局部图。打开单元形状选项，显示计算模型中贴边岔管补强区真实几何形状如图8所示，与实际设计方案一致。
施加荷载与计算：以内水压力为例，对计算模型施加均匀内水压力，同时施加约束条件，并计算至结束。
结果分析：按规范规定，应分别复核主/支管2主板的整体膜应力、主板和补强板的局部膜应力及局部膜应力+弯曲应力。为简单计，仅分析补强区的应力成果。
绘制出主/支管2主板、第一层外补强板51和第二层外补强板52的内表面、中面和外表面的Von Mises应力等值线图。从应力等值线图的分析可知，主板和外补强板内表面应力最大，由内向外，应力逐渐减小，变化规律与实际相符。此外，主板外表面应力和第一层外补强板51内表面应力、第一层补强板外表面应力和第二层外补强板52内表面应力是相同的，这是假定焊接良好、力与弯矩在三层钢板之间是完全传递的，结果与假定是相符的。由于主板、补强板的应力远小于钢材屈服强度，可进一步调整主板厚度、补强板补强区范围及其厚度，按上述步骤进行优化设计，而此处仅为了说明该计算模型的具体实施过程，故不再赘述。
结合此实例来看，本发明计算成果符合相关计算假定及结构实际受力变化规律，是合理可信的。此外，本发明可分别提取贴边岔管主板和补强板不同层面的应力，进而可按规范相关条款分别评价主板和补强板的安全性，优于传统计算模型针对主板和补强板统一的、笼统的安全性评价。在贴边岔管实际设计中，采用本发明可对主板和补强板分别进行更改设计或优化设计，明确了设计参数调整方向，提高了结构设计效率，确保了设计方案的合理可行，进而节约工程投资。

Claims (8)

1.一种改进的贴边岔管计算模型，其特征在于，包括以下步骤：
a、以主板的一个表面为基准建立贴边岔管的几何模型；
b、选择壳单元类型，并在单元选项结果存储中设置为所有层及中面结果；
c、选定材料的所述几何模型并设置所述材料的相关物理力学参数；
d、分别设置非补强区和补强区的壳单元截面参数，对于非补强区，所述壳单元的截面参数通过单层壳单元设置，分别设置主管及支管的主板厚度和材料号，截面偏移选择Bottom-Plane；对于补强区，所述壳单元的截面参数通过n层壳单元设置，分别设置主管及支管的主板厚度和材料号、补强板厚度和材料号，截面偏移选择Bottom-Plane，其中，n为补强板层数+1；
e、将所述壳单元截面参数分别赋予不同区域，划分网格，形成网格模型； f、对网格模型施加荷载、约束条件并计算主板和补强板的应力；
g、分别提取计算出的主板和补强板的应力；
h、判断计算出的主板和补强板的应力是否在规定范围内，若是，则表示所述几何模型符合要求，否则分别调整主板和补强板的相关设计参数，重复步骤a~g，直至所述几何模型符合要求。
2.根据权利要求1所述的一种改进的贴边岔管计算模型，其特征在于，步骤a中，所述表面为内表面或中面或外表面。
3.根据权利要求1所述的一种改进的贴边岔管计算模型，其特征在于，步骤a中，在有限元软件中建立所述贴边岔管的几何模型。
4.根据权利要求3所述的一种改进的贴边岔管计算模型，其特征在于，所述有限元软件为ANSYS软件或ABAQUS软件或MARC软件。
5.根据权利要求1所述的一种改进的贴边岔管计算模型，其特征在于，步骤b中，所述选择的壳单元类型为高阶壳单元。
6.根据权利要求5所述的一种改进的贴边岔管计算模型，其特征在于，当有限元软件为ANSYS软件时，所述高阶壳单元为SHELL181单元或SHELL281单元。
7.根据权利要求1所述的一种改进的贴边岔管计算模型，其特征在于，步骤c中，所述材料的相关物理力学参数为钢材的弹性模量和泊松比。
8.根据权利要求1所述的一种改进的贴边岔管计算模型，其特征在于，步骤f中，所述应力包括整体膜应力、局部膜应力和局部膜应力+弯曲应力。
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