有限元分析有压管道知识讲解

有限元分析有压管道
水电站建筑物
结构分析与优化设计
——有压管道计算分析报告
专业：xxxxx
姓名：xxxxx
学号：xxxxx
1.概况
1.1工程概况
该工程总装机容量 2.5kw，尾水用于农田灌溉。

电站由引水渠道、压力前池、压力管道、厂房和升压站组成。

电站引水系统采用明管，管道沿山脊蜿蜒而下，全长2670m，具有多个空间和平面转换，共设27个镇墩。

1.2计算内容
本报告只针对尾部总长285m的管段，采用钢板作为内衬的钢筋混凝土管道方案，断面如下图所示。

分析其压力管道内部完全冲水时的温度分布、应力与变形。

内部水压5MPa，水温15°C，外界温度35°C。

本报告计算时考虑到压力管道轴向长度与管道截面尺寸相差两个数量级，建模时轴向尺寸太大而影响到截面计算的准确性，且同时此问题为平面应变问题，故而本报告截取沿垂直于水流方向轴向长度为5m的有压管道来进行模拟。

模拟时管道两端约束其轴向方向的位移，忽略基岩的形变，在管道与基岩相连接处采用全约束的方式来模拟基岩对管道的影响。

鉴于要求考虑的是管道充水时的温度分布、变形和应力，故而本报
告只考虑了管道内部工作压力为5MPa时管道的变形、应力，没有考虑水所受重力与混凝土所受重力对管道充水时的影响。

2.基本资料
2.1几何参数
钢板内衬直径1000mm，钢板厚26mm，外包混凝土厚400mm。

2.2材料参数
混凝土参数：
弹性模量：E = 25.5Gpa
密度：ρ = 2400 kg / m^3
泊松比：є = 0.167
温度线膨胀系数1.0*10 ^ -5 /°C
导热系数：1.28 W / ( m.K )
抗拉强度：
抗压强度：
钢板参数：
弹性模量：E = 210 Gpa
密度：ρ = 7850kg / m ^ 3
泊松比：є = 0.3
温度线膨胀系数1.2*10 ^ -5
导热系数：14.7W/ ( m.K )
屈服强度：
3.计算结果及结论
3.1计算模型网格划分情况
截面网格划分情况
网格划分采用选角点划分，然后直接对体进行扫掠。

3.2热分析
3.2.1温度边界
其外部温度为35摄氏度，内部水温为15摄氏度。

3.2.2温度分布
温度分布图
由图可知，管道单独部分温度沿径向呈线性分布，整体呈对称分布。

由侧面图可知其沿轴向方向温度分布值无明显变化，表明主视图可代表各处截面的温度分布。

温度梯度矢量
由图可知，在管道上半部分，混凝土沿径向由内向外呈递减状态，最大处梯度值为61，最小处梯度值为3.7.由侧面图可知其沿轴向方向梯度值无明显变化，表明主视图可代表各处截面的温度梯度矢量。

3.3结构—热耦合分析
3.3.1变形
X方向位移
由图可知，x方向变形最大值为0.283mm，变形呈中心对称分布。

且从侧面图可看出x方向变形沿轴向方向没有明显的变化，故而认为主视图中变形值可代表各截面段的变形值。

Y方向位移
Y方向位移最大值为0.838mm，最上端的变形最大。

且从侧面图可看出y方向变形沿轴向方向没有明显的变化，故而认为主视图中变形值可代表各截面段的变形值。

Z方向位移
看图可知，轴向位移随轴向深度的不同而改变，因为本报告采用的是对管道两端约束其z向位移，故而主视图无法代表管道截面处的轴向位移，所以此处z向位移无实际参考价值。

3.3.2应力
第一主应力
由图可知，第一主应力最大值为61Mpa，出现在钢板上，混凝土上最大拉应力约在10MPa附近，混凝土会发生拉伸破坏，钢板满
足强度要求。

且从侧面图可看出沿轴向方向其应力值无明显变化，故而认为可由主视图的应力值代表各截面的应力值。

第三主应力
由图可知，第三主应力最大值为51Mpa，出现在钢板上，混凝土上最大压应力约在8MPa附近，均满足强度条件。

且从侧面图可看出沿轴向方向其应力值无明显变化，故而认为可由主视图的应力值可代表各截面的应力值。

4.结论与建议
本报告用ANSYS软件对有压管道进行了模拟，考虑了其受内水压力和内外温差的影响下的应力和变形，在静力计算的时候读入温度分布来间接耦合。

结果发现混凝土有部分拉力值超过了其抗拉强度，会发生破坏。

故而应该在混凝土内部增加环向钢筋来增加其抗拉强度。

本报告只考虑了其内水压力与内外温差的影响，没考虑水的重力与混凝土重力对管道的影响。

而且在模拟其管道截面时采用约束轴向的方式，对实际的问题存在误差。