Creo在煤礦井筒管路設計中的應用

趙宗華

（中煤第一建設有限公司，河北 邯鄲 056000）

近年來，在國家和地方相關機構有力推動下，BIM技術在國內發展迅速，煤炭行業也在設計、施工、運營等各環節積極推廣BIM技術。目前，還尚未出現一款可以直接應用在煤礦各環節的BIM軟件，尤其對于各種結構復雜的生產設備BIM模型，仍需借助諸如Creo、Solidworks、Inventor等機械行業三維設計軟件。Creo是美國PTC公司推出的三維設計軟件，具有參數化設計、基于特征建模、單一數據庫（全相關）的特點，具有二維制圖、三維建模、整體裝配和有限元分析等功能。同時，Creo建立的三維模型可導入Revit、ArchInCAD等BIM軟件。在目前軟件平臺欠缺的情況下，機械專業設計人員可以借助Creo的強大功能開展三維設計工作。

在設計井筒管路時，應設置防彎裝置及托管裝置。防彎裝置一般借助梯子間主梁或管道梁，并設置導向裝置，其作用是保持管路縱向穩定；托管裝置由焊接直管座及各支承梁組成，用以承受作用于管路上的各項荷載。

1 管路荷載分析

煤礦生產常用管路主要有排水管路、壓縮空氣管路、注氮管路、消防灑水管路和黃泥灌漿管路，其中以排水管路的受力情況最為復雜，本文以排水管路為例對管路荷載情況進行分析。

管路支承梁承受荷載主要包括：永久荷載、可變荷載和偶然荷載。永久荷載主要是各管路、管件、法蘭及各種連接件的自重，實際計算時可取分段管路自重的1.3倍。可變荷載包括水柱重力和溫度力。計算水柱力時，一般認為水柱重力全部作用于最底層的支承梁，其余層位可取全部水柱重力的一定比例。溫度力是由于環境溫度變化，管路不能自由伸縮引起的，計算時溫差應參考管路安裝地點環境溫度變化確定。若在管路上安裝管路伸縮器時，溫度力可忽略不計，但現有管路伸縮器承受壓力較小，密封性能較差，在壓力較小的氣體傳輸管路上應用較多，對于壓力較大、受力復雜的排水管路，應用較少。偶然荷載主要是直接水錘力，水錘力的產生機理及過程比較復雜，雖然可通過在水泵出口安裝微阻緩閉止回閥在一定程度上緩解水錘作用，但為保證管道安全，計算受力時，認為直接水錘力全部作用于最底層的支承梁，其余層位可取水錘力的一定比例。

計算各分項荷載后，將各荷載進行基本組合和偶然組合計算，取兩者較大值，再根據礦井服務年限取結構重要性系數，得到結構構件承載力設計值。

圖1為設計的國投哈密大南湖七號煤礦進風立井井筒管路布置平面圖。井筒深度226m，布置1趟D219×6注氮管路、1趟D325×8壓縮空氣管路和2趟D325×10主排水管路。

圖1 井筒管路布置平面圖

考慮井筒深度較淺，且新疆地區溫差較大，溫度力在各管路受力中占比較大，僅在井筒與管子道開口上部5m處設置一托管裝置，此時管路一端可自由伸縮，不再考慮溫度力的影響。在確保管路安裝穩定可靠的情況下，避免安裝管路伸縮器，減少托管裝置數量，減小管路荷載，技術可靠，經濟合理。

經計算各管路荷載情況如表1所示。

表1 各管路荷載匯總表 單位：kN

2 建立三維模型

2.1 防彎裝置

防彎裝置承受荷載較小，可利用梯子間主梁，導向裝置采用鋼帶結構形式，具有調節靈活、穩定可靠、使用時間長、不易損壞等特點。導向裝置三維模型如圖2所示。

2.2 托管裝置

根據管路受力情況，對托管裝置的各焊接直管座和支承梁進行初步估算。各支承梁采用焊接型鋼，材質選擇Q345B，各梁斷面尺寸見表2。初步確定各部件尺寸后，在Creo中建立各安裝構件三維模型，并在Creo中進行裝配。托管裝置如圖3所示。

表2 各支承梁斷面尺寸匯總表 單位：mm

圖2 導向裝置三維模型

圖3 托管裝置

3 有限元分析

Creo具有靜態、動態結構分析功能，本文僅以井筒排水管路的焊接直管座及托管大梁的有限元分析為例，對Creo的有限元分析方法及流程加以說明。

3.1 焊接直管座

由“零件”模式下的三維模型界面“應用程序—Simulation”菜單進入有限元分析模式。

（1）分配材料

對焊接直管座各部分設置材料屬性，其中無縫鋼管采用20#鋼，其余部分采用Q345B。

（2）施加荷載

焊接直管座承受荷載主要為管路重力、水柱壓力及水錘力。管路重力（永久荷載263.7kN）以“力/力矩”形式施加于焊接直管座管路頂部；水柱壓力（可變荷載181kN）以“壓力”形式施加于焊接直管座管路內壁；水錘力（偶然荷載169.4kN）以“力/力矩”形式施加于焊接直管座管路底部。

（3）設置約束

選取焊接直管座底板底面，設置為固定約束。

（4）分析研究

建立靜態分析，焊接直管座應力云圖及位移云圖如圖4所示。由圖可知，焊接直管座最大應力為114.17MPa，位于無縫鋼管與底板焊接處；最大位移為0.148mm，位于焊接直管座頂部。由此可知，焊接直管座滿足設計要求。

圖4 焊接直管座應力及位移云圖

3.2 托管大梁

對于托管大梁的有限元分析，可采用Creo“精細模型—梁”進行分析。此種分析方法是將梁進行理想化處理，避免了由圓孔及焊接引起的應力集中現象的發生。

（1）建立模型

在“零件”模式下繪制與梁等長度的直線，進入有限元分析模式，根據梁實際受力情況，在直線上根據托管大梁支承及受力位置創建基準點。選取直線，對梁斷面進行設置。

（2）分配材料

大梁材質為Q345B。

（3）施加荷載

選取創建的各基準點，設置荷載，方向為Y軸負向。

（4）設置約束

分別選取梁兩端點，一端設置為活動鉸支座，一端設置為固定鉸支座。

（5）分析研究

建立靜態分析，大梁應力及位移曲線見圖5。大梁最大應力為160MPa，最大位移為8.43mm。由此可知，托管大梁滿足設計要求。

4 結論

本文以筆者設計的國投哈密大南湖七號煤礦進風立井井筒管路為例，對井筒管路受力情況進行分析，利用Creo軟件對井筒管路防彎裝置和托管裝置進行三維建模及有限元分析，分析結果表明設計經濟合理、安全可靠。以此簡要說明Creo軟件在煤炭行業三維設計中的應用，對煤炭行業BIM設計的發展具有一定借鑒意義。

圖5 托管大梁應力及位移曲線