三河口水利枢纽电站岔管的有限元计算及分析

三河口水利枢纽电站岔管的有限元计算及分析
摘要：以三河口水利枢纽电站厂房后的卜型岔管为计算模型，利用catia软件对
未贴边岔管进行了有限元计算，并对其计算结果做了分析。

为了改进未贴边岔管
在设计中的不足，继而对贴边岔管进行了有限元计算分析，并最终从计算、结构
设计及造价等方面进行比较，确定电站厂房后的岔管采用贴边岔管是合理可靠的。

关键词：三河口电站厂房 catia 岔管应力应变
1 工程概况
陕西省引汉济渭工程为Ⅰ等大（一）型工程，三河口水利枢纽为引汉济渭工
程的两个水源工程之一，枢纽位于佛坪县大河坝乡上游约 3.9km 处的子午河峡谷
下游段，枢纽水库总库容为 7.1 亿 m³，调节库容 6.5 亿 m³，主要由大坝、坝身泄
洪放空系统、坝后引水系统等组成[1]。

压力钢管制造包括坝内钢管、“S”弯管、坝后钢管，末端岔支管等组成。

在地面厂房临河侧约9m处设有6个卜型钢岔管，
岔管共分3种规格，主管接可逆机组支管的2个岔管（主管内径Φ4500mm/支管
内径Φ1600mm）、主管接常规机组支管的2个岔管（主管内径Φ3800mm/支管
内径Φ2600mm）、主管接供水阀支管的2个岔管（主管内径Φ3000mm/支管内
径Φ2000mm）。

2 卜型岔管的有限元计算及分析
Catia软件做为三维建模的主要手段，功能非常强大，几乎涉及到设计用的所
有方面[2]，具有建模时间短，参数化功能强，操作便捷等优点，极大提高了建模
效率，其自带的有限元计算功能对线弹性模型的计算有较高的准确性。

卜型岔管是连接主管与机组、阀室之间的重要纽带，其结构安全性影响着整
个发电系统是否能够正常运转，因此对于卜型岔管有一个合理、可靠及安全的设
计就显得尤为重要了。

以可逆机组的卜型岔管（主管内径Φ4500mm/支管内径
Φ1600mm）为计算模型，利用CatiaV5R20软件进行模型建立，并得出了相应结果。

2.1 未贴边卜型岔管的有限元计算
未贴边卜型岔管的参数见表1，平面图见图1。

图1 未贴边卜型岔管平面图
表1 未贴边卜型岔管参数表
利用CatiaV5R20软件，根据表1未贴边卜型岔管的实际参数建立有限元模型，其
单元类型、网格划分、网格尺寸及约束[3]参数见表2，三维模型见图2。

图2 未贴边卜型岔管三维模型
表2 单元类型及网格划分参数表
利用CatiaV5R20软件的有限元计算模块对未贴边卜型岔管模型进行计算，应力、应变云图见
图3、图4。

图3 未贴边卜型岔管模型应力云图
图4 未贴边卜型岔管模型应变云图
从计算的应力应变云图中可以看出，未贴边卜型岔管加强区的最大应力值为228.5Mpa，
且小于0.67σs=231Mpa[4]，发生在主管与支管结合处；膜应力区的最大应力值为117Mpa，
且小于0.5σs=172.5Mpa[4]；最大应变值为2.74mm，发生在卜型岔管的上部腰线部位。

从计
算结果可以看出，未贴边岔管的应力应变值小于容许值，应力应变分布也符合一般分布规律，但是其加强区的最大应力值过于接近容许值，此处设计显得薄弱，存在明显不足。

2.2 贴边卜型岔管的有限元计算
为了改进未贴边卜型岔管设计中的不足，而且在加工制造方面简捷方便，通过对三梁岔管、月牙肋岔管及贴边岔管进行对比分析后，最终采取对岔管内、外壁贴边的方法进行处理，其中内贴边宽700mm，厚度28mm；外贴边宽800mm，厚度28mm。

贴边卜型岔管的参数详见表3，平面图见图5。

表3 贴边卜型岔管参数表
根据表3对贴边卜型岔管利用CatiaV5R20软件进行了模型建立，其单元类型、网格划分、网
格尺寸及约束参数见表2。

贴边卜型岔管的三维模型见图6。

图5 贴边卜型岔管平面图
图6 贴边卜型岔管三维模型
贴边卜型岔管模型进行有限元计算后，应力、应变云图见图7、图8。

图7 贴边卜型岔管模型应力云图
图8 贴边卜型岔管模型应变云图
从计算的应力应变云图中可以看出，未贴边卜型岔管加强区的最大应力值为202.1Mpa，
且小于0.67σs=231Mpa，同样发生在主管与支管结合处，且是在主、支管内贴边的结合处；
膜应力区的最大应力值为103Mpa，且小于0.5σs=172.5Mpa；最大应变值为2.74mm，发生在卜型岔管的下部腰线部位。

从计算结果可以得出，贴边岔管的应力应变值小于容许值，应力
应变分布也符合一般分布规律，且最大应力值与容许应力值相差较大。

2.3 两种型式卜型岔管的比较
为了更好的对比两种型式卜型岔管的优劣，从应力应变计算结果及钢管自重等方面对其
进行了比较，详见表4。

表3 两种型式卜型岔管参数对比表
从最大应力值计算结果来看，贴边卜型岔管各区域的应力值均小于未贴边卜型岔管，且
发生的位置也基本一致；而从最大应变计算结果来看，二者的最大应变值相同，均发生在岔
管的腰部，因为贴边卜型岔管范围并未涉及到岔管腰部，因此二者的计算应变值相同；从岔
管重量来看，二者的重量相差很大，且贴边卜型岔管有着明显的造价优势。

通过对比，无论
是从结构计算的结果还是从工程量的差异来看，贴边岔管的设计都更加合理可靠。

3 结语
通过对两种型式的卜型岔管进行计算分析对比后，从结构设计角度来讲，贴边卜型岔管
的结构更加合理、可靠，保证了工程的安全性；从造价角度来讲，贴边卜型岔管则大大降低
了投资，为工程节约了成本。

卜型岔管的设计型式也有很多，例如三梁岔管、月牙肋岔管等，但无论从加工制造，还是造价方面，都没有贴边岔管简捷经济。

综合对比分析后，工程采用
贴边卜型岔管做为最终设计方案是合理可行的。

Catia做为一款强大的软件，为岔管的建模及计算提供了便利，其自带的有限元计算功能
对岔管的计算也有着极高的准确性，为设计者提供了有效可靠的技术支撑，也为以后的工程
设计提供了依据。

参考文献：
[1] 陕西省引汉济渭工程三河口水利枢纽初步设计报告（审定稿）[J].西安：陕西省水利电力勘测设计研究院，2015.2.
[2] 詹熙达.CATIA V5R20快速入门教程[M].北京：机械工业出版社，2011.6.
[3] 刘宏新等.CATIA工程结构分析[M].北京：机械工业出版社，2015.9.
[4] 中华人民共和国水利部. 水电站压力钢管设计规范（SL281-2003）[S]. 北京：中国水利水电出版社，2003.。