CN112199878A - 一种对称梁式三分钢岔管设计方法 - Google Patents

一种对称梁式三分钢岔管设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对称梁式三分钢岔管设计方法，包括如下步骤：步骤一、设计岔管管壳体型；步骤二、设计U梁；步骤三、设计腰梁。本发明采用作图法进行钢岔管体型设计，可提高水利工程的设计效率，其中设计管壳体型时，不需要推导相贯线共点的计算公式，在CAD能直接通过作图法绘制管壳体型，确保4条相贯线能相交于同一点，简单清晰；设计U梁与腰梁形状时，无需得到椎管相贯线的方程，无需再根据椎管相贯线方程再推导U梁的内缘、外缘及腰梁外缘方程，在CAD中能直接通过作图法绘制出U梁与腰梁的形状，简单清晰；该方法具有推广性，适用月牙肋岔管、梁式岔管及无梁岔管等管道的设计。

Description

一种对称梁式三分钢岔管设计方法
技术领域
本发明涉及水利水电工程的计算机辅助设计技术领域，特别是一种对称梁式三分钢岔管设计方法。
背景技术
如图1所示，对称梁式三分钢岔管是由相切于同一公切球的四个椎管(主椎管1、左椎管2、右椎管3、中椎管4)两两相交得到的空间组合结构，主管9与中支管10共轴线，左支管11、右支管12沿主管9与中支管10的轴线对称布置，主管9与主椎管1连接，中支管10与中椎管4连接，左支管11与左椎管2连接，右支管12与右椎管3连接。主椎管1与左椎管2的相贯线上设置加强梁，称为腰梁5，对称布置2个。左椎管2与中椎管4的相贯线上设置加强梁，称为U梁6，对称布置2个。
对称梁式三分钢岔管体型复杂，包括管壳体型设计与U梁、腰梁的形状设计，设计时有两个难点：
(1)管壳体型的设计。如果岔管布置不合理，则主椎管1与左椎管2的相贯线交点、左椎管2与中椎管4的相贯线交点不重合，也就是钢岔管的4条相贯线不交于同一点，钢岔管的腰梁5与U梁6的连接发生错位，影响受力性能。
(2)U梁6、腰梁5形状的设计。U梁6、腰梁5的设计比较复杂，U梁6以左椎管2与中椎管4的相贯线为参照线，内伸一定宽度，外露一定高度，宽度与高度由受力计算得到，腰梁5内缘位于管壳表面，为主椎管1与左椎管2的相贯线，外缘外露高度与U梁6一致，需先获得相贯线的形状后，才能对U梁6、腰梁5进行设计。
针对该问题，国内一些文献采用解析几何方法，首先推导出相贯线共点的计算公式，进而确定钢岔管管壳的几何参数，其次根据岔管管壳的参数获取椎管相贯线的方程，根据椎管相贯线方程再推导U梁的内缘、外缘及腰梁外缘方程，最终在CAD中根据参数绘制出钢岔管的体型图。采用该办法虽然可以准确的进行钢岔管的体型设计，但大多数工程技术人员很难掌握公式的推导与应用。还有一些文献采用作图法与解析几何结合的方式进行钢岔管的体型设计，参数较多，步骤繁琐，岔管体型调整时比较费力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种对称梁式三分钢岔管设计方法，其采用作图法进行钢岔管体型设计，可提高水利工程的设计效率。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种对称梁式三分钢岔管设计方法，包括如下步骤：
步骤一、设计岔管管壳体型
步骤1.1：根据四个椎管的公切球的半径R0、主管内接球的半径R1、左支管和右支管内接球的半径R2、中支管内接球的半径R3、公切球圆心O到主管内接球圆心O1的距离L1、公切球圆心O分别到左支管内接球圆心O2、右支管内接球圆心O3距离L2以及分叉角β，在CAD中以公切球圆心O为参考原点，建立主管、左支管、右支管及中支管的中心线与母线，其中主管与中支管共轴线，左支管、右支管沿主管轴线对称布置，与主管轴线夹角为β；建立公切球、主管内接球、左支管内接球与右支管内接球，主管内接球的圆心O1位置由L1确定，左支管与右支管内接球的圆心O2与O3位置由L2确定，中支管的内接球圆心O4待定；
步骤1.2：分别作主管内接球、左支管、右支管的内接球与公切球的公切线，G、F为公切线与主管母线、左支管母线的交点，A、B为公切线之间的交点，连接A、B两点，AB为主椎管与左椎管的相贯线的投影线，AB与对称线OO1的交点为P；
步骤1.3：过P点作水平线与公切线GA的延长线相交于C点，过C点作公切球的切线CD，CD与中支管的母线相交于D点、与公切线F1B相交于E点，作ED的平行线，两平行线之间的垂直距离为R3，平行线与O1O的延长线的交点为O4，即中支管的内接球圆心；
步骤二、设计U梁
步骤2.1：连接PE、PA，PE、PA为椎管相贯线的投影线，相贯线PE上设置U梁，相贯线PA上设置腰梁，U梁内缘与外缘线均为椭圆，U梁内伸一定宽度，外露一定高度，腰梁内缘与外缘线均为椭圆，内缘位于管壳表面，外缘外露高度与U梁一致，PE1、PA1分别为PE、PA的对称线；
步骤2.2：取出左椎管FF1EPA，EP延长线与FA延长线交于点G，AF与EF1延长线交于点O5，左椎管为圆锥O5GG1的一部分，作EG的中点H，过H点作椎管轴线的垂线，垂线与轴线的交点为J，与母线O5G的交点为K；
步骤2.3：圆锥O5GG1沿EPG的Ⅰ—Ⅰ剖面为椭圆，H为圆心，EG为长轴，左椎管与中椎管的相贯线为椭圆的一部分，圆锥O5GG1沿KHJ的剖面为圆，J为圆心，JK为半径，JK线上的H点在圆锥表面上的投影点为H1，HH1为椭圆短半轴，在直角坐标中以H为原点、长半轴HE与短半轴HH1作椭圆，在长轴上定位P点，过P作垂线，与椭圆相交T、T1点，椭圆上的弧TET1为左椎管与中椎管的相贯线；
步骤2.4：通过钢岔管半径与内压估算U梁外露高度，X轴上作点M，PT延长上作点S，EM与TS为外露高度，U梁外缘为椭圆，M为长轴点，作M点沿Y轴的对称点M1，过M、S与M1三个点作椭圆，椭圆上的弧SMS1为U梁外缘；
步骤2.5：初步确定U梁内伸宽度，X轴上作点N，EN为内伸宽度，U梁内缘为椭圆，N点为长轴点，作N点沿Y轴的对称点N1，过N、T与N1三个点作椭圆，椭圆上的弧TNT1为U梁内缘，通过弧SMS1与弧TNT1确定U梁形状；
步骤三、设计腰梁
采用与步骤2.3相同的方法作主椎管与左椎管的相贯线，与步骤2.4相同的方法作腰梁的外缘，腰梁内缘位于管壳表面，为主椎管与左椎管的相贯线，从而确定腰梁形状。
进一步的，R0为R1的1.0～1.2倍，确保α1、α2、α3小于20度。
进一步的，当R0与R1相等时，α1为零，主椎管成为圆管。
进一步的，步骤2.5中，内伸梁宽比EN/PE控制在0.15～0.2的范围。
进一步的，当腰梁与U梁钢板较厚时，在其相交处设置钢棒，钢棒中心线与交线重合，腰梁、U梁分别与钢棒焊接。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下效果：
(1)设计管壳体型时，不需要推导相贯线共点的计算公式，在CAD能直接通过作图法绘制管壳体型，确保4条相贯线能相交于同一点，简单清晰；
(2)设计U梁与腰梁形状时，无需得到椎管相贯线的方程，无需再根据椎管相贯线方程再推导U梁的内缘、外缘及腰梁外缘方程，在CAD中能直接通过作图法绘制出U梁与腰梁的形状，简单清晰；
(3)采用该技术方案，在CATIA中可利用参数化建模，建立钢岔管的标准模板，只需调整岔管相关参数值就能自动生成满足体型设计要求的三维图，比在CAD中设计更方便；
(4)采用该技术方案，利用ANSYS软件的APDL参数化进行建模时，还能进行有限元分析，将体型设计与有限元计算有机的结合在一起；
(5)该方法具有推广性，适用月牙肋岔管、梁式岔管及无梁岔管等管道的设计；
(6)腰梁与U梁钢板较厚时，在其相交处设置钢棒，腰梁、U梁分别与钢棒焊接，优化了梁的交叉处的焊接接头，方便施焊，避免产生焊接残余应力，减少相邻焊缝施焊时的热影响；
(7)埋藏式钢岔管体型较大时，由于开挖洞径的限制，岔管不能整体运至洞内，需分片运至洞内组拼焊接，由于现场条件的限制，腰梁、U梁与钢棒焊接质量难以保证，可在工厂事先将部分腰梁、U梁与钢棒焊接或者锻造为组合体结构(如图8)后运至洞内安装。
附图说明
图1为本发明的钢岔管的空间三维图；
图2为本发明的钢岔管的U梁与腰梁三维图；
图3为本发明的钢岔管设置钢棒的U梁与腰梁三维图；
图4为本发明的钢岔管的体型设计图；
图5为本发明的钢岔管的相贯线几何关系；
图6为图5的Ⅰ—Ⅰ剖面图；
图7为图5的Ⅱ—Ⅱ剖面图；
图8为部分U梁、腰梁与钢棒焊接或者锻造的组合体结构。
图中附图标记分述如下：
1—主椎管；2—左椎管；3—右椎管；4—中椎管；5—腰梁；6—U梁；7—相贯线；8—钢棒；9—主管；10—中支管；11—左支管；12—右支管；13—组合体结构；
R0—公切球的半径；R1—主管9内接球的半径；R2—左支管11、右支管12内接球的半径；R3—中支管10内接球的半径；L1—公切球圆心O到主管9内接球圆心O1的距离；L2—公切球圆心O分别到左支管11内接球圆心O2、右支管12内接球圆心O3距离；α1—主椎管半锥角；α2—左椎管与右椎管的半锥角；α3—中椎管的半锥角；β—分叉角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明，但要求保护的范围并不局限于所述。
请参阅图1-7，本发明实施例提供一种对称梁式三分钢岔管设计方法，包括岔管管壳体型的设计与U梁、腰梁的设计，以CAD软件为例，具体步骤如下：
步骤一、设计岔管管壳体型
步骤1.1：根据四个椎管的公切球的半径R0、主管9内接球的半径R1、左支管11和右支管12内接球的半径R2、中支管10内接球的半径R3、公切球圆心O到主管9内接球圆心O1的距离L1、公切球圆心O分别到左支管11内接球圆心O2、右支管12内接球圆心O3距离L2以及分叉角β，在CAD中以公切球圆心O为参考原点，建立主管9、左支管11、右支管12及中支管10的中心线与母线，其中主管9与中支管10共轴线，左支管11、右支管12沿主管9轴线对称布置，与主管9轴线夹角为β；建立公切球、主管9内接球、左支管11内接球与右支管12内接球，主管9内接球的圆心O1位置由L1确定，左支管11与右支管12内接球的圆心O2与O3位置由L2确定，中支管10的内接球圆心O4待定。
步骤1.2：分别作主管9内接球、左支管11、右支管12的内接球与公切球的公切线，G、F为公切线与主管9母线、左支管11母线的交点，A、B为公切线之间的交点，连接A、B两点，AB为主椎管与左椎管的相贯线7的投影线，AB与对称线OO1的交点为P；
步骤1.3：过P点作水平线与公切线GA的延长线相交于C点，过C点作公切球的切线CD，CD与中支管10的母线相交于D点、与公切线F1B相交于E点，作ED的平行线，两平行线之间的垂直距离为R3，平行线与O1O的延长线的交点为O4，即中支管10的内接球圆心，这样，切线CD为公切球与中支管10的内接球的公切线，保证了4条相贯线7交于P点。调整R0、L1，L2尺寸，R0一般为R1的1.0～1.2倍，确保α1、α2、α3小于20度。
其中，R0一般为R1的1.0～1.2倍，当R0与R1相等时，α1为零，主椎管成为圆管。
步骤二、设计U梁
步骤2.1：连接PE、PA，PE、PA为椎管相贯线的投影线，相贯线PE上设置U梁6，相贯线PA上设置腰梁5，U梁6内缘与外缘线均为椭圆，U梁6内伸一定宽度，外露一定高度，腰梁5内缘与外缘线均为椭圆，内缘位于管壳表面，外缘外露高度与U梁一致，PE1、PA1分别为PE、PA的对称线；
步骤2.2：取出左椎管FF1EPA(如图5所示)，EP延长线与FA延长线交于点G，AF与EF1延长线交于点O5，左椎管为圆锥O5GG1的一部分，作EG的中点H，过H点作椎管轴线的垂线，垂线与轴线的交点为J，与母线O5G的交点为K；
步骤2.3：圆锥O5GG1沿EPG的Ⅰ—Ⅰ剖面为椭圆(如图6所示)，H为圆心，EG为长轴，左椎管与中椎管的相贯线为椭圆的一部分，圆锥O5GG1沿KHJ的Ⅱ—Ⅱ剖面为圆(如图7所示)，J为圆心，JK为半径，JK线上的H点在圆锥表面上的投影点为H1，HH1为椭圆短半轴，在直角坐标中以H为原点、长半轴HE与短半轴HH1作椭圆，在长轴上定位P点，过P作垂线，与椭圆相交T、T1点，椭圆上的弧TET1为左椎管与中椎管的相贯线；
步骤2.4：通过钢岔管半径与内压估算U梁外露高度，X轴上作点M，PT延长上作点S，EM与TS为外露高度，U梁外缘为椭圆，M为长轴点，作M点沿Y轴的对称点M1，过M、S与M1三个点作椭圆，椭圆上的弧SMS1为U梁外缘；
步骤2.5：初步确定U梁内伸宽度，X轴上作点N，EN为内伸宽度，U梁内缘为椭圆，N点为长轴点，作N点沿Y轴的对称点N1，过N、T与N1三个点作椭圆，椭圆上的弧TNT1为U梁内缘，通过弧SMS1与弧TNT1确定U梁形状，从钢岔管水头损失和结构安全方面考虑，内伸梁宽比EN/PE控制在0.15～0.2的范围较为合适。
步骤三、设计腰梁
采用与步骤2.3相同的方法作主椎管1与左椎管2的相贯线，与步骤2.4相同的方法作腰梁的外缘，腰梁内缘位于管壳表面，为主椎管与左椎管的相贯线，从而确定腰梁形状。
CATIA、ANSYS与CAD中的设计方法与步骤一致。CATIA或CAD设计时，可将上述步骤生成的岔管体型图转化为三维模型，导入有限元模型中进行受力分析，调整相关参数，如U梁外露高度、内伸宽度等，确保钢岔管受力合理。ANSYS能将体型设计与有限元计算有机的结合在一起。
在另一实施例中，腰梁5与U梁6钢板较厚时，可在其相交处设置钢棒8(如图3所示)，钢棒8中心线与交线重合，腰梁5、U梁6分别与钢棒5焊接，方便施焊，避免产生焊接残余应力。
以上详细描述了本发明的实施方式，但是，本发明不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可轻易对本发明的技术方案变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种对称梁式三分钢岔管设计方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、设计岔管管壳体型
步骤1.1：根据四个椎管的公切球的半径R0、主管内接球的半径R1、左支管和右支管内接球的半径R2、中支管内接球的半径R3、公切球圆心O到主管内接球圆心O1的距离L1、公切球圆心O分别到左支管内接球圆心O2、右支管内接球圆心O3距离L2以及分叉角β，在CAD中以公切球圆心O为参考原点，建立主管、左支管、右支管及中支管的中心线与母线，其中主管与中支管共轴线，左支管、右支管沿主管轴线对称布置，与主管轴线夹角为β；建立公切球、主管内接球、左支管内接球与右支管内接球，主管内接球的圆心O1位置由L1确定，左支管与右支管内接球的圆心O2与O3位置由L2确定，中支管的内接球圆心O4待定；
步骤1.2：分别作主管内接球、左支管、右支管的内接球与公切球的公切线，G、F为公切线与主管母线、左支管母线的交点，A、B为公切线之间的交点，连接A、B两点，AB为主椎管与左椎管的相贯线的投影线，AB与对称线OO1的交点为P；
步骤1.3：过P点作水平线与公切线GA的延长线相交于C点，过C点作公切球的切线CD，CD与中支管的母线相交于D点、与公切线F1B相交于E点，作ED的平行线，两平行线之间的垂直距离为R3，平行线与O1O的延长线的交点为O4，即中支管的内接球圆心；
步骤二、设计U梁
步骤2.1：连接PE、PA，PE、PA为椎管相贯线的投影线，相贯线PE上设置U梁，相贯线PA上设置腰梁，U梁内缘与外缘线均为椭圆，U梁内伸一定宽度，外露一定高度，腰梁内缘与外缘线均为椭圆，内缘位于管壳表面，外缘外露高度与U梁一致，PE1、PA1分别为PE、PA的对称线；
步骤2.2：取出左椎管FF1EPA，EP延长线与FA延长线交于点G，AF与EF1延长线交于点O5，左椎管为圆锥O5GG1的一部分，作EG的中点H，过H点作椎管轴线的垂线，垂线与轴线的交点为J，与母线O5G的交点为K；
步骤2.3：圆锥O5GG1沿EPG的Ⅰ—Ⅰ剖面为椭圆，H为圆心，EG为长轴，左椎管与中椎管的相贯线为椭圆的一部分，圆锥O5GG1沿KHJ的剖面为圆，J为圆心，JK为半径，JK线上的H点在圆锥表面上的投影点为H1，HH1为椭圆短半轴，在直角坐标中以H为原点、长半轴HE与短半轴HH1作椭圆，在长轴上定位P点，过P作垂线，与椭圆相交T、T1点，椭圆上的弧TET1为左椎管与中椎管的相贯线；
步骤2.4：通过钢岔管半径与内压估算U梁外露高度，X轴上作点M，PT延长上作点S，EM与TS为外露高度，U梁外缘为椭圆，M为长轴点，作M点沿Y轴的对称点M1，过M、S与M1三个点作椭圆，椭圆上的弧SMS1为U梁外缘；
步骤2.5：初步确定U梁内伸宽度，X轴上作点N，EN为内伸宽度，U梁内缘为椭圆，N点为长轴点，作N点沿Y轴的对称点N1，过N、T与N1三个点作椭圆，椭圆上的弧TNT1为U梁内缘，通过弧SMS1与弧TNT1确定U梁形状；
步骤三、设计腰梁
采用与步骤2.3相同的方法作主椎管与左椎管的相贯线，与步骤2.4相同的方法作腰梁的外缘，腰梁内缘位于管壳表面，为主椎管与左椎管的相贯线，从而确定腰梁形状。
2.如权利要求1所述的对称梁式三分钢岔管设计方法，其特征在于：R0为R1的1.0～1.2倍，确保α1、α2、α3小于20度。
3.如权利要求1或2所述的对称梁式三分钢岔管设计方法，其特征在于：当R0与R1相等时，α1为零，主椎管成为圆管。
4.如权利要求1所述的对称梁式三分钢岔管设计方法，其特征在于：步骤2.5中，内伸梁宽比EN/PE控制在0.15～0.2的范围。
5.如权利要求1所述的对称梁式三分钢岔管设计方法，其特征在于：当腰梁与U梁钢板较厚时，在其相交处设置钢棒，钢棒中心线与交线重合，腰梁、U梁分别与钢棒焊接。
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