肋寬比對(duì)月牙肋應(yīng)力變形的影響分析

宋 勇，楊小林，王 瑤，溫仁節(jié)

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072)

1 前言

月牙肋鋼岔管對(duì)HD值適應(yīng)性強(qiáng)、工程經(jīng)驗(yàn)積累豐富，在我國(guó)水利水電工程中使用廣泛。月牙肋主要用于平衡兩分支管破口處膜應(yīng)力，肋板呈偏心受拉。為使月牙肋受力合理，《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T 281-2020)(下文簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)給出了分岔角與肋寬比之間的關(guān)系曲線[1]，由規(guī)范可知，肋寬比隨分岔角減小而增大。受結(jié)構(gòu)布置和水頭損失等因素影響，卜形岔管分岔角通常較小，一般分岔角越小，月牙肋岔管水頭損失越小[2]，但會(huì)導(dǎo)致月牙肋寬度加大，插入管內(nèi)更深，反而會(huì)惡化水力條件[3-4]。因此，分析肋寬比對(duì)月牙肋應(yīng)力變形的影響，合理減小月牙肋寬度，使月牙肋岔管兼顧水力和結(jié)構(gòu)兩方面要求[5]，有重要的工程價(jià)值。

本文依托某供水工程月牙肋鋼岔管，通過(guò)有限元分析，研究肋寬比對(duì)月牙肋應(yīng)力變形的影響，為肋板體型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路。

2 計(jì)算模型

某供水工程月牙肋鋼岔管主管直徑3.4m，兩支管直徑分別為2m、2.4m，分岔角55°，月牙肋水平投影長(zhǎng)a=2799mm，頂端距中央截面距離b=1933mm，按規(guī)范計(jì)算肋寬比Bt/a=0.450(規(guī)范建議設(shè)導(dǎo)流板)，肋板寬Bt=1260mm。岔管特殊工況下最高內(nèi)水壓力1.5MPa，鋼材選用Q345R鋼，結(jié)構(gòu)按明岔管計(jì)算，肋板厚tw=60mm，基本錐厚t=28mm，過(guò)渡錐厚t=26mm，圓柱管厚t=24mm，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 月牙肋岔管結(jié)構(gòu)

有限元模型采用殼單元模擬岔管，鋼材彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85g/cm3。有限元模擬保持肋板厚度和其他結(jié)構(gòu)不變，計(jì)算肋寬比分別為0.357、0.393、0.429和0.450(對(duì)應(yīng)肋板寬度分別為1000mm、1100mm、1200mm和1260mm)的岔管，在內(nèi)水壓力作用下的應(yīng)力變形，有限元模型如圖2所示。

3 計(jì)算結(jié)果及其分析

3.1 月牙肋應(yīng)力結(jié)果及其分析

不同肋寬比月牙肋von Mises應(yīng)力等值線圖如圖3-圖6(單位Pa)，由圖3-圖6可知，月牙肋von Mises應(yīng)力最大值在肋板中央截面內(nèi)緣線處，表明月牙肋中央截面控制著肋板設(shè)計(jì)。月牙肋von Mises應(yīng)力隨肋寬比增大而減小，von Mises應(yīng)力從內(nèi)緣線至外緣線遞減，肋寬比越大，內(nèi)緣線與外緣線間應(yīng)力差值越小，肋板偏心受拉越弱。

圖3 von Mises應(yīng)力等值線(Bt/a=0.357)

圖4 von Mises應(yīng)力等值線(Bt/a=0.393)

圖5 von Mises應(yīng)力等值線(Bt/a=0.429)

圖6 von Mises應(yīng)力等值線(Bt/a=0.450)

不同肋寬比月牙肋中央截面最大第一主應(yīng)力σ1結(jié)果見(jiàn)表1，由表1可知，有限元計(jì)算結(jié)果明顯大于規(guī)范計(jì)算結(jié)果，部分原因?yàn)橐?guī)范將中央截面應(yīng)力平均處理，未能體現(xiàn)偏心受拉影響。中央截面最大第一主應(yīng)力隨肋寬比增大而迅速減小，在接近規(guī)范給定肋寬比附近減小趨勢(shì)放緩。

表1 中央截面最大第一主應(yīng)力(MPa)

3.2 月牙肋變形結(jié)果及其分析

不同肋寬比月牙肋變形等值線圖如圖7-圖10(單位m)，由圖7-圖10可知，相同肋板厚度下，肋寬比越大，肋板變形等值線圖與月牙肋內(nèi)緣線夾角越大。當(dāng)肋寬比為0.450時(shí)，變形等值線基本與月牙肋內(nèi)緣線及外緣線正交，肋板變形結(jié)果最佳。

圖7 變形等值線(Bt/a=0.357)

圖8 變形等值線(Bt/a=0.393)

圖9 變形等值線(Bt/a=0.429)

圖10 變形等值線(Bt/a=0.450)

3.3 月牙肋優(yōu)化分析

基于肋寬比對(duì)月牙肋應(yīng)力變形的影響分析可知，按照規(guī)范擬定肋寬比的月牙肋應(yīng)力最小，變形結(jié)果最佳，但肋板插入岔管最深，對(duì)水流影響最大?；趹?yīng)力分析，4種肋寬比均可滿足月牙肋鋼材強(qiáng)度要求，但肋寬比為0.357時(shí)，肋板中央截面內(nèi)緣線與外緣線間應(yīng)力及變形差異過(guò)大，變形不諧調(diào)。因此，本文月牙肋岔管肋寬比取0.393，使岔管保障力學(xué)要求，同時(shí)改善水力條件。

4 結(jié)論

本文基于規(guī)范計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行了4組不同肋寬比的鋼岔管有限元計(jì)算，并將月牙肋應(yīng)力結(jié)果同規(guī)范比較。計(jì)算結(jié)果表明，按規(guī)范擬定肋寬比得到的月牙肋應(yīng)力及變形結(jié)果最佳，但對(duì)水流影響最大。隨著肋寬比增大，月牙肋中央截面最大主應(yīng)力迅速下降，肋板偏心受拉得到緩解；隨著肋寬比增大。月牙肋位移等值線圖與肋板內(nèi)緣線夾角越大，肋板變形協(xié)調(diào)更優(yōu)。可在規(guī)范基礎(chǔ)上適當(dāng)減小肋寬比，使月牙肋岔管同時(shí)兼顧水力和結(jié)構(gòu)要求，避免設(shè)置導(dǎo)流板。