CN112178334A - 用于贴边钢岔管的等宽整体补强板的一次成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水利施工技术领域，属于一种贴边钢岔管等宽整体补强板的一次成型方法，该方法包括以下步骤：对主管和支管的相贯线上任一点均沿该点的法平面与主管的交线采用不完全椭圆积分向外偏移等宽的距离，计算出补强板的厚度，得到柱面等距扩张曲线；将所述相贯线和柱面等距扩张曲线均向平面展开得到平面补强板的边界曲线，计算出补强板的厚度，并生成相应的控制点坐标对平面钢板进行切割下料，然后用卷板机将平面补强板加工成与主管具有相同曲率的弯板，就完成等宽整体补强板的成型。本发明优化设计的贴边钢岔管的补强板的强度，可以使成型的等宽整体补强板与主管紧密贴合，焊缝少，焊缝强度高，受力均匀，减少管壁应力，提高钢岔管的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及水利施工技术领域，属于一种用于贴边钢岔管的等宽整体补强板的一次成型方法。
背景技术
随着水利建设步伐的加快，由于贴边钢岔管体型小、结构简单被广泛应用在水电站以及输水工程中。贴边钢岔管通常由一个主管和一个支管构成，在主管和支管的连接处由于开孔使设备结构的连续性被破坏，主管和支架的变形可能不一致，为使两者在连接之后的变形协调一致，连接处便产生附加的内力，使孔边局部区域内出现应力集中，往往需要通过焊接补强板进行加固。补强板的宽度和厚度可通过施工规范结合面积补强法、圆环法、人工补强法等确定，这些方法只能粗略估算补强板的面积，但该方法不能给出补强板上的应力分布情况。
在实际工程施工时，制作空间曲面等宽补强板比较困难，通常在钢岔管上手工画出补强板的边界线，然后采用区域拼接方法在加强区域进行拼块焊接，但是此类方法会导致补强板上有较多焊缝，壳体金属与拼块之间不能完全贴合，使补强板各处的应力较大，而且拼块焊接使得难以与主管壳体形成整体，抗疲劳性能差，从而影响加强处管壁的应力导致容易爆管失效。
另外，拼接形成的补强板往往也很难保证宽度一致，并且会产生多条焊缝，而补强板的宽度不一致则会造成受力不均匀，与设计时计算结果规律不一致，易造成错误评价。而且，补强板焊缝变多，在高水头压力作用下以及施工水平的影响下会增大开裂概率，从而影响贴边钢岔管安全运行，严重时会造成补强板的强度不能达到设计要求最终导致爆管，对管后的发电厂房安全运行以及人员安危造成影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于贴边钢岔管的等宽整体补强板的一次成型方法，其优化设计的贴边钢岔管的补强板的强度，可以使成型的等宽整体补强板与主管紧密贴合，焊缝少，焊缝强度高，受力均匀，减少管壁应力，提高钢岔管的使用寿命。
本发明的目的是这样实现的：一种用于贴边钢岔管的等宽整体补强板的一次成型方法，所述钢岔管包括主管和支管，所述主管的半径为R，所述支管的半径为r，所述主管和支管之间的夹角为
，其中
，以支管轴线与主管的外周面交点O为中心、以主管轴线方向为X轴、以主管轴线与支管轴线构成的平面垂直的方向为Z轴建立三维坐标系，所述成形方法包括以下步骤：
步骤一、根据主管的半径R、支管的半径r以及主管和支管之间的夹角
，得到主管和支管的相贯线；
步骤二、对所述相贯线上任一点均沿该点的法平面与主管的交线向外偏移距离d，得到所述相贯线的柱面等距扩张曲线；其中偏移距离d等于根据中国人民共和国水利部2003年发布的《水电站压力钢管设计规范》初步计算得到的补强板的宽度；
步骤三、将所述相贯线和柱面等距扩张曲线均向XOZ平面展开，所述相贯线和柱面等距扩张曲线上的任一点
，其在XOZ平面的展开点坐标为
，这样就得到平面补强板的边界曲线；
步骤四、根据所述《水电站压力钢管设计规范》以及设计内水压力，初步计算得到补强板的厚度，选取相应厚度的平面钢板，根据所述边界曲线生成相应的控制点坐标对平面钢板进行切割下料，得到平面补强板；
步骤五、用卷板机将平面补强板加工成与主管具有相同曲率的弯板，就完成等宽整体补强板的成型。
首先需要说明的是，本发明中主管和支管的相贯线的柱面等距扩张曲线是指该相贯线各点沿圆柱上的外法线方向等距偏移等长距离所形成的曲线；该等距扩张曲线既不是同心圆柱的相贯线，也不是圆柱面上的同心圆或椭圆所形的曲线。
本发明带来的有益效果是：本发明可以快速准确的得出补强板外边缘线上所有点的坐标，通过连接曲面上加密坐标点，得到等宽补强板外边缘轮廓，施工时能够准确放线下料，施工方便快捷、效率高。
本发明得到的补强板为一次整体成型，相比拼接形成的补强板，只在补强板的内、外边缘处进行焊接，焊缝大大减少，其最直观的好处就是施工方便，施工效率大大提高；除此以外，本发明得到的补强板为一整体，可以与主管紧密贴合，从而减小了补强板各处的应力，提高了抗疲劳性能，补强板各处受力均匀，在高水头压力作用下以及施工水平的影响下一般也不会开裂，安全性大大提高。
通过上述技术方案得到的补强板，其宽度和厚度都是依照中国人民共和国水利部2003年发布的《水电站压力钢管设计规范》进行初步计算得到的，只能粗略估算补强板的面积，不能给出补强板上应力分布情况，以及宽度及厚度对补强板应力影响情况和最大应力点的位置。通常来说，补强板的宽度和厚度对钢岔管的刚度影响比较大，但是不能一味通过加宽补强板宽度以及厚度来提高钢岔管的整体刚度，因为补强板宽度和厚度增加后，施工难度会加大，无形中就加大了制作安装的难度，工程安全运行可靠度也会大打折扣。因此，需要对初步计算得到的补强板宽度和厚度进行优化，在满足《水电站压力钢管设计规范》的要求上基础上，尽量减少补强板的宽度和厚度，其优化方法如下：
1）根据主管的半径R、支管的半径r、主管和支管之间的夹角
，对钢岔管进行实体建模，删除多余表面使之成为一层无厚度壳体，设置壳单元属性为厚膜单元，并设置控制应力输出使输出的控制应力包括壳单元截面的上表面、中面和底面的应力；
2）根据补强板的宽度、补强板的厚度、补强板的弹性模量、补强板的泊松比以及设计内水压力为初始条件，并设定补强板与钢岔管的贴边方式为外贴，对钢岔管通过有限元方法进行应力分析；
3）依次将补强板的宽度分别增、减50%的幅度，在增、减补强板宽度时补强板的厚度以2mm的幅度逐渐加厚，得到多种规格的补强板，重复执行步骤2),就得到多组钢岔管的应力值，以符合所述《水电站压力钢管设计规范》规定的钢岔管允许应力的前提下补强板的体积最小为判断标准，最终确定出最佳的补强板的宽度和补强板的厚度。
补强板与主管紧密贴合，焊接时，只在补强板的内、外边缘处进行焊接。
本发明其优化设计的贴边钢岔管的补强板的强度，实现了使成型的等宽整体补强板与主管紧密贴合，焊缝少，焊缝强度高，受力均匀，减少了管壁应力，提高了钢岔管的使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明主管与支管90度夹角的立体结构示意图。
图2是本发明主管与支管45度夹角的立体结构示意图。
图3是相贯线上P点的法平面示意图。
图4是相贯线上P点沿其法平面与主管的交线向外偏移的示意图。
图5是法平面的坐标系示意图。
图6是相贯线和柱面等距扩张曲线均向XOZ平面展开的示意图。
图7是平面补强板的示意图。
图8是成型后的补强板示意图。
图9是钢岔管的建模示意图。
图10是补强板计算应力分析选取的控制点位置示意图。
图中的A为法平面π，B为展开点，C为展开投影平面，D为未展开点；E、F、G、H、I、J、K、L、M、S、T为选取的各应力控制点。
具体实施方式
实施例
本实施例涉及用于贴边钢岔管的等宽整体补强板的一次成型方法，其中所述钢岔管包括主管和支管，所述主管的半径为R，所述支管的半径为r，所述主管和支管之间的夹角为
，其中
，以支管轴线与主管的外周面交点O为中心、以主管轴线方向为X轴、以主管1轴线与支管2轴线构成的平面垂直的方向为Z轴建立三维坐标系，
本实施例的成型方法，包括以下步骤：
步骤一、根据主管1的半径R、支管2的半径r以及主管和支管之间的夹角
，得到主管和支管的相贯线，如图1所示。
主管的参数方程式为：
支管的参数方程式为：
上述两个方程联立，得可主管和支管的相贯线的参数方程式为：
步骤二、对所述相贯线上任一点均沿该点的法平面与主管的交线向外偏移距离d，得到所述相贯线的柱面等距扩张曲线；其中偏移距离d等于根据中国人民共和国水利部2003年发布的《水电站压力钢管设计规范》初步计算得到的补强板的宽度。
补强板的宽度对钢岔管的刚度影响比较大，目前多采用面积补强法、圆环法、人工补强法进行初步计算。
如图2中相贯线P点的夹角为
，其切向量τ的参数方程式为：
式中，
；
点P坐标记为
，相贯线P点处的法平面
为
由于法平面π与主管的交线是一个椭圆，如图3中所示的椭圆，并且该法平面π与相贯线上的任意一点保持垂直，因此沿椭圆偏移一段距离d，即是沿所交椭圆圆弧偏移长度d。下面单独分析椭圆部分的计算。
首先计算椭圆中心
的空间坐标。
与法平面
的方程
联立即得
点的空间坐标为：
。
设平面
的法线与主管轴线夹角为
，则有
由此得到，椭圆长半轴长为a=
，短半轴长b=R，在平面
上建立如图3所示的坐标系，如图4、图5所示，
点为相贯线与椭圆交点，
点是偏移后的待求点，其中
。
椭圆的参数方程为：
可算得线段
长度
结合椭圆方程知：
可求得P点对应的离心角
，进而求得其横坐标
根据椭圆积分理论，
(|k|<1)是第二类完全椭圆积分，记为
,而
为第二类不完全椭圆积分，记为
。这两种积分都可通过数值方法求解。
从而得出P点和N点的离心角分别为
和
，从而得
弧长
由于P点坐标、e、d均已知，可将
关于
的反函数记作
，可得
表达式：
由所求得的
，可计算出点N纵坐标为：
以上即得到N点在平面
坐标系上的坐标，从而
长度为：
N点的空间坐标满足下列方程：
联立以上三个方程，即可求得N点三维坐标，并由此可得到所述相贯线的柱面等距扩张曲线。
步骤三、如图6所示，将所述相贯线和柱面等距扩张曲线均向XOZ平面展开，所述相贯线和柱面等距扩张曲线上的任一点
，其在XOZ平面的展开点坐标为
，这样就得到平面补强板的边界曲线。
步骤四、根据所述《水电站压力钢管设计规范》以及设计内水压力，初步计算得到补强板的厚度，选取相应厚度的平面钢板，根据所述边界曲线生成相应的控制点坐标对平面钢板进行切割下料，得到平面补强板，如图7所示。
步骤五、用卷板机将平面补强板加工成与主管具有相同曲率的弯板，就完成等宽整体补强板的成型，如图8所示。此为现有技术，不再赘述。
以往，贴边钢岔管补强板的宽度采用面积补强法、圆环法、人工补强法，这些方法只能粗略估算补强板的面积，但该方法不能给出补强板上应力分布情况，以及宽度及厚度对补强板应力影响情况和最大应力点的位置，只能作为一种初选方法。补强板宽度和厚度对此类钢岔管的刚度影响比较大，但是不能一味通过加宽补强板宽度以及厚度来提高钢岔管的整体刚度，只有了解这两组变量在贴边钢岔管中的影响比重后才能设计出最优体型。
因此，为了优化补强板的宽度和厚度，本实施例还可以作进一步的改进。为了便于说明，取主管半径为1600mm，支管半径为600mm，主管与支管的夹角为45°，料采用Q345C钢，设计内水压力（考虑水锤压力）为72m，通过面积补强法计算得到的补强板宽度为600mm，厚度为24mm。具体改进方法如下：
1）根据主管的半径R、支管的半径r、主管和支管之间的夹角
，对钢岔管进行实体建模，进行网格划分，删除多余表面使之成为一层无厚度壳体，即保留模型最里面一层，该层在建模时是标准结构尺寸，得到我们所要的几何壳单元模型，如图9所示。
设置壳单元属性为厚膜单元，并设置控制应力输出使输出的控制应力包括壳单元截面的上表面、中面和底面的应力。
2）根据补强板的宽度、补强板的厚度、补强板的弹性模量、补强板的泊松比以及设计内水压力为初始条件，并设定补强板与钢岔管的贴边方式为外贴，对钢岔管通过有限元方法进行应力分析。
3）依次将补强板的宽度分别增、减50%的幅度，在增、减补强板宽度时补强板的厚度以2mm的幅度逐渐加厚，得到多种规格的补强板，重复执行步骤2),就得到多组钢岔管的应力值，以符合所述《水电站压力钢管设计规范》规定的钢岔管允许应力的前提下补强板的体积最小为判断标准，最终确定出最佳的补强板的宽度和补强板的厚度。
前述已知，通过面积补强法计算得到的补强板宽度为600mm，厚度为24mm，因此我们选取三种补强板宽度进行有限元优化计算，其中方案一宽度为300mm（厚度为24mm、26mm、28mm），方案二宽度为600mm（厚度为24mm、26mm、28mm），方案三宽度为900mm（厚度为24mm、26mm、28mm），取图10中所示的各个应力控制点进行应力分析，其计算结果见表1：
表1
注：表中应力单位均为MPa，允许应力为247Mpa.
从表1中可以得出，当壁厚一致时，方案一至方案三是补强板从300mm增加到900mm，随着补强板宽度增加，管壁E点、H点和T点应力均有所减小，但是，E点、H点和T点应力不是随着补强板宽度增加线性减小。当补强板厚度一致时，贴边钢岔管管壁控制点从E点到T点的应力均随补强板厚度的增加而减小，但是，从表1中也可以得出，管壁应力也不是随着补强板宽度的线性增加而线性减小的。因此，在进行贴边钢岔管优化时不能一味的增加补强板的宽度和厚度来减小管壁应力，这样不但造成不必要的浪费同时也增加了施工难度。本次最优方案为方案三中厚度为28mm的补强板，其余的方案均有控制点的应力超出允许应力值247MPa（允许应力值可通过《水电站压力钢管设计规范》得到），即补强板的最佳宽度为900mm，最佳厚度为28mm，当贴边钢岔管管壁最大应力小于规范中允许应力10%左右即可，至此就不必无限制加厚管壁与补强板宽度。
通常来说，将补强板的宽度分别增、减50%的幅度，应该可以满足《水电站压力钢管设计规范》，因此如将补强板的宽度分别增加50%幅度后仍不满足《水电站压力钢管设计规范》时，可以考虑增加补强板的厚度，然后进行应力分析，最终得到最佳的方案。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换形成的技术方案，均为本发明要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种用于贴边钢岔管的等宽整体补强板的一次成型方法，其特征在于：所述钢岔管包括主管（1）和支管（2），所述主管（1）的半径为R，所述支管（2）的半径为r，所述主管（1）和支管（2）之间的夹角为
，其中
，以支管（2）轴线与主管（1）的外周面交点O为中心、以主管（1）轴线方向为X轴、以主管（1）轴线与支管（2）轴线构成的平面垂直的方向为Z轴建立三维坐标系，所述成形方法包括以下步骤：
步骤一、根据主管（1）的半径R、支管（2）的半径r以及主管（1）和支管（2）之间的夹角
，得到主管（1）和支管（2）的相贯线（3）；
步骤二、对所述相贯线（3）上任一点均沿该点的法平面与主管（1）的交线向外偏移距离d，得到所述相贯线（3）的柱面等距扩张曲线；其中偏移距离d等于根据中国人民共和国水利部2003年发布的《水电站压力钢管设计规范》初步计算得到的补强板（5）的宽度；
步骤三、将所述相贯线和柱面等距扩张曲线均向XOZ平面展开，所述相贯线（3）和柱面等距扩张曲线上的任一点
，其在XOZ平面的展开点坐标为
，这样就得到平面补强板的边界曲线（4）；
步骤四、根据所述《水电站压力钢管设计规范》以及设计内水压力，初步计算得到补强板（5）的厚度，选取相应厚度的平面钢板，根据所述边界曲线（4）生成相应的控制点坐标对平面钢板进行切割下料，得到平面补强板（5）；
步骤五、用卷板机将平面补强板（5）加工成与主管具有相同曲率的弯板，就完成等宽整体补强板（5）的成型。
2.根据权利要求1所述的用于贴边钢岔管的等宽整体补强板的一次成型方法，其特征在于，对步骤二中补强板（5）的宽度以及步骤四中补强板（5）的厚度进行优化，具体方法如下：
1）根据主管（1）的半径R、支管（2）的半径r、主管（1）和支管（2）之间的夹角
，对钢岔管进行实体建模，删除多余表面使之成为一层无厚度壳体，设置壳单元属性为厚膜单元，并设置控制应力输出使输出的控制应力包括壳单元截面的上表面、中面和底面的应力；
2）根据补强板（5）的宽度、补强板（5）的厚度、补强板（5）的弹性模量、补强板（5）的泊松比以及设计内水压力为初始条件，并设定补强板（5）与钢岔管的贴边方式为外贴，对钢岔管通过有限元方法进行应力分析；
3）依次将补强板（5）的宽度分别增、减50%的幅度，在增、减补强板（5）宽度时补强板（5）的厚度以2mm的幅度逐渐加厚，得到多种规格的补强板（5），重复执行步骤2),就得到多组钢岔管的应力值，以符合所述《水电站压力钢管设计规范》规定的钢岔管允许应力的前提下补强板（5）的体积最小为判断标准，最终确定出最佳的补强板（5）的宽度和补强板（5）的厚度。
3.根据权利要求1所述的用于贴边钢岔管的等宽整体补强板的一次成型方法，其特征在于，补强板（5）与主管（1）紧密贴合，焊接时，只在补强板（5）的内、外边缘处进行焊接。
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