CATIA在月牙肋鋼岔管三維參數化設計中的應用

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

月牙肋岔管是由三梁式岔管不斷演變、改進而來的一種岔管型式，因其具有結構受力好、管內水流平順、水頭損失小等優點，是目前國內外水利水電工程中應用較多的一種岔管型式[1]。月牙肋岔管體型與受力狀態比較復雜，傳統的設計方法是根據規范不斷調整岔管體型參數，獲得合理的體型，再按照解析法將空間結構簡化為平面問題進行受力分析[2]，若受力不滿足要求，則再對體型與板厚進行修改，直到體型與受力均滿足要求。不論是體型設計還是受力分析，工作量都非常大，特別在工程可研與初設階段進行多種方案比較時，傳統方法的劣勢就非常明顯。此外，在施工詳圖設計或者工廠制作階段，需獲得岔管零部件的詳細尺寸，傳統手段根據畫法幾何方法或者解析法，將岔管展開與放樣的過程同樣費時費力[3-4]。

針對上述問題，根據岔管的空間特點，基于三維輔助設計及有限元軟件，國內許多學者與工程設計人員[5-7]提出了多種比較合理的設計方法，大大減少了設計工作量，提高了工作效率，但也存在一定的局限。楊勝平[5]采用Solidworks與CAD軟件對岔管進行設計，首先在Solidworks中進行體型設計，再導入到CAD中進行施工圖放樣，過程比較繁瑣。馬偉等[6]應用UG軟件中基于模板的參數建模技術對月牙肋岔管進行設計，但該軟件不便與有限元軟件進行對接。韓曉鳳等[7]在CATIA中基于知識工程模板對月牙肋進行了體型設計，并導入ANSYS進行有限元分析，該方法是目前主流的設計手段，但其設計模板中的參數較多，不夠直觀。本文利用CATIA強大的參數化設計功能，將反映岔管體型的最主要特征，如主管直徑、支管直徑及分岔角等作為參數，鈍角區腰線折角、椎管腰線折角等其他控制條件，作為參考尺寸約束，建立標準模板，針對各個不同尺寸的岔管，通過改變標準模板中的參數，將參考尺寸約束控制在規范之內，從而得到合理的岔管體型，CATIA在網格劃分、計算及后處理方面存在不足，因此，將模型導入ANSYS進行計算分析，最終完成岔管設計。

1 月牙肋岔管的參數化設計

月牙肋鋼岔管主要包含主、支管及月牙肋板等部分，其中主、支管可分為基本錐、過渡錐與圓柱管3個管段。根據具體情況，有些岔管可省去過渡錐，主、支管的基本錐共切于一個公切球，月牙肋作為支管相交后面積削弱部分的補強板，其外緣線一般為橢圓，向外超出管殼相貫線50～150 mm，以滿足管殼與肋板焊接的加工要求，其內緣一般為拋物線。月牙肋岔管分為對稱Y型與非對稱Y型岔管兩類，對于非對稱Y型岔管，在工程中卜型岔管最常見，本文在CATIA中建立對稱Y型與卜型兩種月牙肋岔管的標準模板。

1.1 對稱Y型岔管

相比卜型岔管，對稱Y型岔管結構簡單且參數較少，對稱Y型岔管的三維設計步驟如下。

(1)根據工程資料，在CATIA中建立岔管的二維草圖，坐標原點定位在公切球的中心點，利用曲面設計模塊建立岔管的三維模型，生成各個椎管的曲面展開圖。

(2)提取R0，R1，R2，A1，A2，β作為參數，將α1，α2，θ設置為參考約束尺寸，建立標準模板。

(3)對不同尺寸的岔管，通過不斷調整R0，A1，A2，β，使α1，α2，θ滿足規范要求，從而獲得合理的岔管體型圖，如圖1所示。

圖1 對稱Y型岔管平面

(4)在確定岔管體型后，將模型導出到有限元軟件ANSYS中進行受力分析，其中包括設置材料屬性、劃分網格、施加約束等。該步驟主要是確定岔管的壁厚與月牙肋的形狀及厚度，若計算應力超出材料的容許應力，則重新調整體型與板厚，以得到合理的設計。

(5)在CATIA中將岔管三維圖與展開圖導入到工程圖模塊，標出展開后的零件尺寸，以便工廠下料制作，如圖2所示。

圖2 對稱Y型岔管三維圖及展開

其中，R0為公切球的半徑；R1，R2分別為主管與支管的半徑；A1，A2分別為到主管球原點及公切球原點到支管球原點的距離；β為分岔角；α1，α2分別為主錐管及支錐管的腰線折角；θ為鈍角區腰線折角，見圖1。

1.2 卜型岔管

卜型岔管的三維設計步驟與對稱Y型岔管一致，區別在于增加了參數及參考尺寸約束的數量，R0，R1，R2，R3，A1，A2，A3，β作為參數，將α1，α2，α3，θ設置為參考約束尺寸。參數及參考尺寸約束如圖3所示，岔管及三維展開如圖4所示。

圖3 卜型岔管平面

圖4 卜型岔管三維圖及展開

其中，R0為公切球的半徑；R1，R2，R3分別為主管與支管的半徑；A1，A2，A3分別為公切球原點到主管球原點及公切球原點到支管球原點的距離；β為分岔角；α1，α2，α3分別為主錐管及支錐管的腰線折角；θ為鈍角區腰線折角，見圖3。

上述方法都是按照岔管內表面半徑進行的體型設計，工廠放樣、下料時一般按板厚的中面展開，因此需在實際工程中對某些參數略做調整，伍鶴皋等[8]對比進行了詳細的描述。

2 工程實例

某水電站進水口壓力鋼管設計水頭520 m，采用對稱Y型岔管，主管直徑 3.0 m，支管直徑2.2 m，岔管與月牙肋材質均為07MnCrMoVR，板厚分別為50 mm與100 mm，其余部位采用Q345R鋼材。在CATIA中利用本文建立的對稱Y型岔管的標準模板生成三維模型及平面展開圖，將三維模型導入ANSYS軟件中，材料假定為線彈性體，采用殼單元SHELL181模擬管節，實體單元SOLID185模擬肋板，管道末端施加固定約束。有限元網格見圖5，岔管展開見圖2，正常工況下的Mises應力見圖6。

圖5 岔管有限元計算網格

圖6 岔管Mises應力

在各個工況下，岔管的應力與應變均滿足設計要求，并且與實際受力情況基本符合，由此確定岔管壁厚及月牙肋尺寸。最后在工程圖模塊中生成岔管零件圖。進行水壓試驗下的內力分析時，在CATIA模型中的直管段設置悶頭即可。

3 結 語

本文利用CATIA軟件的建模優勢，將岔管分為對稱Y型與卜型兩類。通過簡化參數與參考約束尺寸，分別建立了兩類岔管的標準模板，生成了岔管的三維曲面模型及椎管的展開圖，再將模型導入ANSYS軟件中進行計算分析，確定岔管壁厚及月牙肋尺寸，最終獲得了合理的岔管設計。對不同尺寸的岔管，只需改變標準模板中的參數即可完成體型設計及其椎管的展開圖，該方法簡單、直觀，避免了重復性的建模工作，提高了設計精度與工作效率。同時，開展三維協同設計有助于提高設計質量，降低工程成本，是工程設計技術發展的必然趨勢，而建立岔管的三維模型是三維協同設計中必要的一環。本文應用實例驗證了一種模型，還需要對模型計算結果的準確性進行更進一步的對比分析，從而實現廣泛應用。