月牙肋鋼岔管自動化設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

杜英奎，蔣逵超，王春江，王志國，王建華

（中國水電顧問集團北京勘測設(shè)計研究院，北京 100024）

1 系統(tǒng)開發(fā)的意義

月牙肋鋼岔管由于具有受力明確合理、設(shè)計方便、水流流態(tài)好、水頭損失小、結(jié)構(gòu)可靠、制作安裝容易等特點，在國內(nèi)外大中型常規(guī)和抽水蓄能電站中得到廣泛的應(yīng)用，但其設(shè)計方法和手段仍以人工計算和人工制圖為主，效率比較低。盡管月牙助岔管結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且體形優(yōu)化時需進行大量重復(fù)計算工作，但計算理論和方法比較成熟，非常適合進行計算機程序化。因此，針對月牙肋鋼岔管這種被廣泛采用的特殊結(jié)構(gòu)，尋求一種經(jīng)濟合理、實用方便、快捷高效的設(shè)計理論、方法和手段，實現(xiàn)其設(shè)計自動化是十分迫切和必要的。

2 系統(tǒng)簡介

月牙肋岔管計算機自動化設(shè)計系統(tǒng)，將自動實現(xiàn) “從設(shè)計方案確定到撰寫設(shè)計報告”的全部設(shè)計活動，包括方案優(yōu)選、體形優(yōu)化、應(yīng)力分析、質(zhì)量計算以及體形圖、展開圖的繪制等。月牙肋鋼岔管自動化設(shè)計系統(tǒng)的模塊如圖1所示，該系統(tǒng)包括四大模塊：①結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊。自動確定最佳體形和最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。②結(jié)構(gòu)分析模塊。根據(jù)設(shè)計規(guī)范，自動完成結(jié)構(gòu)強度和剛度分析，包括結(jié)構(gòu)力學(xué)法和有限單元法。③圖形開發(fā)模塊。根據(jù)體形優(yōu)化結(jié)果，自動生成體形圖和管節(jié)展開圖等。④自動設(shè)計報告生成和編輯模塊。根據(jù)以上各模塊分析成果，自動生成設(shè)計報告。

圖1 月牙肋鋼岔管自動化設(shè)計系統(tǒng)模塊

月牙肋鋼岔管自動化設(shè)計系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的優(yōu)化參數(shù)，調(diào)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析模塊進行結(jié)構(gòu)解析法優(yōu)化。如優(yōu)化結(jié)果不理想就調(diào)整優(yōu)化參數(shù)重新優(yōu)化，如優(yōu)化結(jié)果合理，則調(diào)用結(jié)構(gòu)分析模塊進行結(jié)構(gòu)有限元分析，輸出中間成果。如中間成果不理想則調(diào)整設(shè)計參數(shù)重新進行設(shè)計，如中間成果合理，則系統(tǒng)將調(diào)用自動成圖模塊和自動生成報告模塊生成圖紙和報告。自動化設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 月牙肋鋼岔管自動化設(shè)計系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)簡介

3.1 優(yōu)化原理與技術(shù)方法

根據(jù)月牙肋岔管設(shè)計的具體情況，本文采用混合離散變量優(yōu)化法。離散變量優(yōu)化方法是在有限的離散點上進行搜索計算，從而降低優(yōu)化風(fēng)險，加快優(yōu)化計算速度。在優(yōu)化過程中，結(jié)構(gòu)分析方法均采用解析法。系統(tǒng)確定出適宜的優(yōu)化變量，建立合理的約束條件，以鋼材用量最省為目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化。

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

月牙肋鋼岔管為鋼制結(jié)構(gòu)，優(yōu)化過程中以鋼材的質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為：

式中，f（x）為鋼材質(zhì)量，t；V1為岔管鋼材的體積，m3；V2為加強肋鋼材的體積，m3；ρ為鋼材的密度，t/m3。

3.1.2 約束條件

（1）強度約束條件。根據(jù)規(guī)范對岔管進行結(jié)構(gòu)分析，并求出相應(yīng)的應(yīng)力，采用承載能力極限狀態(tài)進行設(shè)計。由此得岔管管壁和加強肋的應(yīng)力約束條件：

式中，σ為校核點的應(yīng)力；σR為鋼材的抗力限值。按式（2），岔管管體的膜應(yīng)力和局部應(yīng)力各有18個強度檢測點；加強肋為對稱結(jié)構(gòu)，由肋板頂部至水平截面將其均分為10等份，共11個截面，以各截面的平均正應(yīng)力校核強度。由此，岔管管體和加強肋的強度約束函數(shù)共有47個。

（2）幾何約束條件。幾何約束條件是為了保證結(jié)構(gòu)的合理性、使用性及施工要求。主要考慮以下幾點：保證設(shè)計變量和幾何尺寸滿足規(guī)范和設(shè)計要求，如轉(zhuǎn)折角、管節(jié)長度等均要滿足規(guī)范；保證結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系協(xié)調(diào)一致；保證岔管體形和加強肋滿足施工要求。由以上三點得到的幾何約束條件共有37個。

3.2 三維有限元結(jié)構(gòu)復(fù)核技術(shù)

根據(jù)月牙肋鋼岔管的結(jié)構(gòu)特性和受力規(guī)律，研制了專用有限元分析程序。在岔管結(jié)構(gòu)復(fù)核過程中，程序能夠自動完成有限元網(wǎng)格離散化，并自動生成有限元計算所需的數(shù)據(jù)文件。計算包括正常運行和水壓試驗兩種工況。

在進行三維有限元結(jié)構(gòu)分析時，采用8節(jié)點固體單元模擬肋板，采用4節(jié)點殼單元模擬管殼。管壁單元網(wǎng)格自動剖分時，只需給定主管相貫錐的切割份數(shù)，其他各支管各管節(jié)的環(huán)向切割份數(shù)均按單元節(jié)點連續(xù)的原則由程序自動確定；所有支管各管節(jié)沿管軸線的切割份數(shù)在保證單元網(wǎng)格邊長基本相當(dāng)?shù)那疤嵯掠沙绦蜃詣哟_定。程序自動確定了各管節(jié)的環(huán)向和軸向切割份數(shù)后，自動計算節(jié)點坐標(biāo)和單元編號。

3.3 自動成圖技術(shù)

系統(tǒng)以FORTRAN語言為母體編程語言進行程序設(shè)計，F(xiàn)ORTRAN程序的運行結(jié)果生成繪圖的Visual LISP程序，用戶在AutoCAD環(huán)境下運行Visual LISP程序，即可生成用戶所需要的圖形。

3.4 自動撰寫設(shè)計報告技術(shù)

系統(tǒng)的 “自動撰寫報告”模塊，通過程序設(shè)計的方法，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)、AutoCAD接口、Microsoft Word接口，依托預(yù)先排版完畢的報告模板，實現(xiàn)了動態(tài)文字自動填寫、表格數(shù)據(jù)自動填寫及自動根據(jù)需要完成插圖的功能。

設(shè)計報告自動撰寫模塊主要由報告模板、計算結(jié)果讀取模塊、數(shù)據(jù)表格填寫模塊及AutoCAD圖形文件處理（插圖處理）模塊幾個部分組成。

設(shè)計報告自動撰寫模塊通過主控程序?qū)?shù)據(jù)庫、Microsoft Word、AutoCAD三大部分結(jié)合為一個整體。模塊建立在.NET框架基礎(chǔ)之上，通過.NET框架提供的大量基礎(chǔ)類及部分自主開發(fā)的專用類實現(xiàn)了對Word文檔、AutoCAD圖形的控制，結(jié)合報告模板將存放在數(shù)據(jù)庫中的計算結(jié)果、文字和AutoCAD圖形文件，按實際需要添加到報告文檔中，從而實現(xiàn)自動生成設(shè)計報告的功能。模塊數(shù)據(jù)流示意如圖3所示。

圖3 模塊數(shù)據(jù)流示意

4 系統(tǒng)應(yīng)用

本文以山西西龍池抽水蓄能電站岔管段為例。西龍池抽水蓄能電站位于山西省忻州地區(qū)五臺縣，總裝機容量為4×30萬kW。岔管采用對稱Y形內(nèi)加強月牙肋鋼岔管，考慮水擊壓力，設(shè)計內(nèi)水壓力10.15 MPa。主管管徑3.5 m，支管管徑2.5 m，PD值3552 m2，屬高水頭、大PD值的巨型岔管。岔管擬采用進口鋼材，主、支錐管殼材料采用日本鋼材SHY685NS2F，肋板材料采用日本鋼材SUMITEN780Z。

在通過參數(shù)輸入、體形優(yōu)化、有限元計算等步驟，并通過AutoCAD自動生成了設(shè)計圖后，系統(tǒng)根據(jù)用戶定制的任務(wù)，將這些數(shù)據(jù)、圖形組織成設(shè)計報告。本算例通過本系統(tǒng)自動生成報告63頁，包括文字約2萬個、插圖26幅、表格22個。系統(tǒng)自動生成的體形圖和展開圖符合相關(guān)制圖規(guī)范的要求。

經(jīng)過本系統(tǒng)優(yōu)化后岔管最大管壁厚度為64 mm，質(zhì)量為25.74 t，相比于初步明管設(shè)計的最大管壁厚度68 mm，質(zhì)量28.68 t，最大板材的厚度以及材料質(zhì)量均有一定程度降低；優(yōu)化后的體形經(jīng)有限元復(fù)核認為：整個岔管結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作階段，未進入塑性，并且在膜應(yīng)力區(qū)和局部應(yīng)力區(qū)都小于各自的抗力限值。

5 結(jié)語

內(nèi)加強月牙肋岔管計算機自動化設(shè)計系統(tǒng)以DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》為依據(jù)，通過輸入控制參數(shù)自動進行體形設(shè)計、解析法優(yōu)化、有限元結(jié)構(gòu)復(fù)核等體形設(shè)計和計算復(fù)核工作，并能自動生成鋼岔管體形圖、管節(jié)展開圖（DWG格式）和設(shè)計報告（DOC格式），全面實現(xiàn)了月牙肋岔管的科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、自動化設(shè)計，使用簡單，易于操作，人機界面友好。與常規(guī)設(shè)計相比，系統(tǒng)可極大提高工作效率，節(jié)省人力資源，并有效提高岔管優(yōu)化程度，節(jié)省鋼材用量，降低制造難度。通過以西龍池抽水蓄能電站岔管段為例進行了驗證，其設(shè)計成果與原設(shè)計成果相符，表明系統(tǒng)具有正確性和可靠性。

目前，系統(tǒng)已經(jīng)在云南天花板、印度尼西亞阿薩漢水電站等工程設(shè)計中得到成功應(yīng)用，可以在水電工程中推廣應(yīng)用。

［1］王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法（第二版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

［2］徐士良.FORTRAN常用算法程序集（第二版）［M］.北京： 清華大學(xué)出版社，1995.

［3］羅京龍.月牙肋岔管有限元網(wǎng)格自動剖分程序設(shè)計［J］.中國農(nóng)村水利水電，2005（2）:90-91.

［4］王業(yè)明，高旭，胡聲宏.鋼岔管結(jié)構(gòu)的計算機輔助幾何設(shè)計［J］. 揚州大學(xué)學(xué)報，1998（5）:61-63.

［5］DL/T 5141—2001 水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范［S］.