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摘要：本文介绍钱塘垅水电站1#内加强月牙肋岔管的设计过程，并用CAD建立钢岔管模型，用ANSYS软件进行有限元分析，在正常运行和水压试验等工况中，岔管及月牙肋的应力均满足要求。
关键词 岔管 月牙肋 ANSYS 有限元
1 工程概况
钱塘垅水库位于兰溪市梅溪支流马涧溪东源的小支流上，其坝址位于马涧镇溪源村上游约1km处，距兰溪市区30km，距离马涧镇8km。电站厂址位于该水库大坝下游约200m处右岸。钱塘垅水库电站利用水库供水隧洞，通过改造部分供水管道，在保障下游水厂供水的同时，利用富余水头发电。
2 岔管体型设计
本文介绍钱塘垅电站1#岔管的设计，岔管体型图见图1。
图1 1#岔管体型图
1#岔管采用“卜”型结构，主管直径1.6m，支管直径分别为1.6m，1.5m。设计中，经试算及体型优选[2][3]，采用轴线岔角57.5°，分岔角60°。
3 有限元分析
本次设计中用CAD做实体建模，用ANSYS进行有限元分析[4][5][6]。
3.1 模型的建立
主管和支管的长度都取大于三倍管径长，采用四边型壳单元，对于网格的剖分，考虑到计算精度和计算机的计算能力，将网格作了较细的剖分，直管段圆周向布置40个结点，每条相贯线上布置20个结点，共计3590个单元。
3.2 初始条件与边界条件
本工程中，原输水管道与改造后的管道均采用浅层地下埋管。在岔管处，钢管周边浇筑80cm厚的混凝土，再在其上部回填相对密度不小于0.7的石渣1.2m至原地面高程。经估算钢管底部受到混凝土的压力大约70Kpa，与运行工况的内水压力1.08Mpa及水工试验的内水压力1.35Mpa相比均可忽略。因此管道的受力分析中可不考虑围岩的作用，而只受内水压力的作用。
主管端部周边采用全约束，支管端部周边采用X、Y、Z三个方向约束的铰支座，其余结点无约束。
3.3 有限元计算成果
1）正常运行工况
设计内水压力P=1.08Mpa，计算得到岔管内外表面Mises应力、岔管变形如图2、图3。
图2 钱塘珑1#岔管Mises应力云图（外表面） 图3 钱塘珑1#岔管变形矢量图
2）水压试验工况
设计内水压力P=1.35Mpa，计算得到岔管内外表面Mises应力、岔管变形如图4、图5。
图4 钱塘珑1#岔管Mises应力云图（外表面） 图5 钱塘珑1#岔管变形矢量图
正常运行工况与水压试验工况主要计算结果见表3、表4。
从岔管应力计算结果可看出，岔管最大应力出现在主管与支管相接的腰线折角内缘处，在本次岔管设计中，该处应力能够满足要求。在其他pD值较大的岔管设计中，腰线折角内缘处可能需要进行适当的加固处理。
月牙肋的最大应力发生在肋板内缘中心处，在pD值较大的岔管中，此处水流流态比较复杂，此处可能在脉动压力作用下发生破坏，需适当加大尺寸。
本岔管的计算结果在Z向具有较好的对称性，岔管本体部位应力情况复杂多变，远处则应力分布趋于均匀，说明管长符合设计要求。
表3 正常运行工况主要应力结果汇总
工况 数值（MPa） 允许应力（MPa） 部位
正常
运行 局部应力区 99.709 177.69 腰线折角内缘
膜应力区 92.077 122.16
肋板 43.39 116.48 肋板内缘中心
表4 水压试验工况主要应力结果汇总
工况 数值（MPa） 允许应力（MPa） 部位
水压
试验 局部应力区 124.637 241.3 腰線折角内缘
膜应力区 115.097 165.90
肋板 48.403 158.18 肋板内缘中心
4 分析与总结
经有限元计算分析，钱塘垅电站1#岔管正常运行工况和压水试验工况的应力和变形都能满足要求。
参考文献
[1] 水电站压力钢管设计规范（ SL281- 2003） ， 北京： 中国水利水电出版社， 2003
[2] 潘家铮. 压力钢管[M]. 上海科学技术出版社， 1958.
[3] 杨海霞， 李哲斐. 月牙肋钢岔管的优化设计[J]. 固体力学学报， 2006 （S1）.
[4] 林德金， 金宏安， 赫庆彬， 等. 巴基斯坦汗华水电站工程进水钢岔管结构设计[J]. 水利水电工程设计， 2010 （003）： 23-24.
[5] 李哲斐. 钢岔管结构的优化设计 [D][D]. 南京： 河海大学， 2005.
[6] 朱宏伟， 任德记， 高阳峰， 等. 月牙肋钢岔管的有限元分析[J]. 水利科技与经济， 2008， 14（2）： 113-114.
关键词 岔管 月牙肋 ANSYS 有限元
1 工程概况
钱塘垅水库位于兰溪市梅溪支流马涧溪东源的小支流上，其坝址位于马涧镇溪源村上游约1km处，距兰溪市区30km，距离马涧镇8km。电站厂址位于该水库大坝下游约200m处右岸。钱塘垅水库电站利用水库供水隧洞，通过改造部分供水管道，在保障下游水厂供水的同时，利用富余水头发电。
2 岔管体型设计
本文介绍钱塘垅电站1#岔管的设计，岔管体型图见图1。
图1 1#岔管体型图
1#岔管采用“卜”型结构，主管直径1.6m，支管直径分别为1.6m，1.5m。设计中，经试算及体型优选[2][3]，采用轴线岔角57.5°，分岔角60°。
3 有限元分析
本次设计中用CAD做实体建模，用ANSYS进行有限元分析[4][5][6]。
3.1 模型的建立
主管和支管的长度都取大于三倍管径长，采用四边型壳单元，对于网格的剖分，考虑到计算精度和计算机的计算能力，将网格作了较细的剖分，直管段圆周向布置40个结点，每条相贯线上布置20个结点，共计3590个单元。
3.2 初始条件与边界条件
本工程中，原输水管道与改造后的管道均采用浅层地下埋管。在岔管处，钢管周边浇筑80cm厚的混凝土，再在其上部回填相对密度不小于0.7的石渣1.2m至原地面高程。经估算钢管底部受到混凝土的压力大约70Kpa，与运行工况的内水压力1.08Mpa及水工试验的内水压力1.35Mpa相比均可忽略。因此管道的受力分析中可不考虑围岩的作用，而只受内水压力的作用。
主管端部周边采用全约束，支管端部周边采用X、Y、Z三个方向约束的铰支座，其余结点无约束。
3.3 有限元计算成果
1）正常运行工况
设计内水压力P=1.08Mpa，计算得到岔管内外表面Mises应力、岔管变形如图2、图3。
图2 钱塘珑1#岔管Mises应力云图（外表面） 图3 钱塘珑1#岔管变形矢量图
2）水压试验工况
设计内水压力P=1.35Mpa，计算得到岔管内外表面Mises应力、岔管变形如图4、图5。
图4 钱塘珑1#岔管Mises应力云图（外表面） 图5 钱塘珑1#岔管变形矢量图
正常运行工况与水压试验工况主要计算结果见表3、表4。
从岔管应力计算结果可看出，岔管最大应力出现在主管与支管相接的腰线折角内缘处，在本次岔管设计中，该处应力能够满足要求。在其他pD值较大的岔管设计中，腰线折角内缘处可能需要进行适当的加固处理。
月牙肋的最大应力发生在肋板内缘中心处，在pD值较大的岔管中，此处水流流态比较复杂，此处可能在脉动压力作用下发生破坏，需适当加大尺寸。
本岔管的计算结果在Z向具有较好的对称性，岔管本体部位应力情况复杂多变，远处则应力分布趋于均匀，说明管长符合设计要求。
表3 正常运行工况主要应力结果汇总
工况 数值（MPa） 允许应力（MPa） 部位
正常
运行 局部应力区 99.709 177.69 腰线折角内缘
膜应力区 92.077 122.16
肋板 43.39 116.48 肋板内缘中心
表4 水压试验工况主要应力结果汇总
工况 数值（MPa） 允许应力（MPa） 部位
水压
试验 局部应力区 124.637 241.3 腰線折角内缘
膜应力区 115.097 165.90
肋板 48.403 158.18 肋板内缘中心
4 分析与总结
经有限元计算分析，钱塘垅电站1#岔管正常运行工况和压水试验工况的应力和变形都能满足要求。
参考文献
[1] 水电站压力钢管设计规范（ SL281- 2003） ， 北京： 中国水利水电出版社， 2003
[2] 潘家铮. 压力钢管[M]. 上海科学技术出版社， 1958.
[3] 杨海霞， 李哲斐. 月牙肋钢岔管的优化设计[J]. 固体力学学报， 2006 （S1）.
[4] 林德金， 金宏安， 赫庆彬， 等. 巴基斯坦汗华水电站工程进水钢岔管结构设计[J]. 水利水电工程设计， 2010 （003）： 23-24.
[5] 李哲斐. 钢岔管结构的优化设计 [D][D]. 南京： 河海大学， 2005.
[6] 朱宏伟， 任德记， 高阳峰， 等. 月牙肋钢岔管的有限元分析[J]. 水利科技与经济， 2008， 14（2）： 113-114.