韓曉鳳，張 偉，文 強(qiáng)

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣西 南寧 530023;2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004;3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004)

0 引言

岔管是壓力鋼管集中供水和分組供水中的關(guān)鍵建筑物，由于體形和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其安全性和經(jīng)濟(jì)性受到工程研究人員的普遍關(guān)注，目前相關(guān)研究主要集中在結(jié)構(gòu)承載安全性［1-2］、水力學(xué)特性［3-4］、設(shè)計(jì)分析理論［5-6］和新型岔管研制［7］等方面。同時(shí)，隨著近年來(lái)三維設(shè)計(jì)技術(shù)在水電行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)理念和方法相應(yīng)地發(fā)生了變革，岔管三維設(shè)計(jì)研究也受到重視［8-9］，特別是能使知識(shí)在設(shè)計(jì)中得到延續(xù)和再利用的知識(shí)工程模板化方法［10］，進(jìn)一步提高了三維設(shè)計(jì)的智能化水平［11］。

無(wú)梁岔管是一種形體優(yōu)美、耗材經(jīng)濟(jì)的岔管形式，在體形上采用多節(jié)過(guò)渡錐管以及頂部和底部的局部球殼片，使管節(jié)相接處腰線轉(zhuǎn)角以及分岔相貫處均過(guò)渡得較為平順，不需要加設(shè)厚重的加強(qiáng)構(gòu)件，殼體主要承受膜應(yīng)力，能較好地發(fā)揮材料的作用，比梁式岔管有顯著的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)［12］提出的無(wú)球殼片的異形無(wú)梁岔管結(jié)構(gòu)，用錐殼片替代了無(wú)梁岔管頂部和底部的局部球殼片，在云南柴石灘、西洱河二級(jí)、新疆喀什河二級(jí)、青海橋頭鎮(zhèn)等電站得到了成功應(yīng)用［13-14］。無(wú)梁岔管多層錐殼片逐漸過(guò)渡的體形特點(diǎn)增加了空間幾何關(guān)系的復(fù)雜程度，帶來(lái)了設(shè)計(jì)時(shí)需要多次試算與調(diào)整的問(wèn)題［15］，使得岔管設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣、重復(fù)工作量大，并在多個(gè)環(huán)節(jié)需要結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷與調(diào)整。因此，為避免設(shè)計(jì)師不必要的重復(fù)勞動(dòng)，開(kāi)展無(wú)梁岔管快速三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)融入模板，實(shí)現(xiàn)岔管的知識(shí)工程三維設(shè)計(jì)是非常必要的。

本文構(gòu)建了無(wú)梁岔管三維知識(shí)工程設(shè)計(jì)的知識(shí)模型，給出了總體規(guī)劃、知識(shí)收集與引導(dǎo)、變量定義與識(shí)別、設(shè)計(jì)模板、方案設(shè)計(jì)、加工制作設(shè)計(jì)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法，系統(tǒng)提出了無(wú)梁岔管知識(shí)工程設(shè)計(jì)方法，并將該方法應(yīng)用于老撾某大型岔管設(shè)計(jì)中。

1 設(shè)計(jì)方法的知識(shí)模型和實(shí)現(xiàn)流程

1.1 知識(shí)模型

無(wú)梁岔管知識(shí)工程設(shè)計(jì)方法集成了設(shè)計(jì)和制作知識(shí)、岔管設(shè)計(jì)需求參數(shù)、加工制作需求參數(shù)，理清了設(shè)計(jì)和加工制作信息的傳遞關(guān)系，形成岔管三維參數(shù)化設(shè)計(jì)模板、展開(kāi)圖與放樣點(diǎn)坐標(biāo)表自動(dòng)生成模塊如圖1所示。無(wú)梁岔管設(shè)計(jì)和制作知識(shí)包括規(guī)則知識(shí)、案例知識(shí)和模型知識(shí)［16］。規(guī)則知識(shí)是設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)岔管的具體要求，包括水力學(xué)、布置、結(jié)構(gòu)安全、加工制作要求等，表現(xiàn)為具體設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍約束要求，以及設(shè)計(jì)參數(shù)與輸入?yún)?shù)存在的函數(shù)關(guān)系等;案例知識(shí)是根據(jù)以往工程案例設(shè)計(jì)積累所得到的知識(shí)，包括岔管體形、結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)驗(yàn)規(guī)律、加工制作方法等;模型知識(shí)是對(duì)岔管模型進(jìn)行分析所需要的知識(shí)，包括岔管空間幾何、結(jié)構(gòu)、水力學(xué)穩(wěn)定性分析等。

1.2 實(shí)現(xiàn)流程

為實(shí)現(xiàn)無(wú)梁岔管知識(shí)模型的三維設(shè)計(jì)，需要有階段清晰、目的明確的實(shí)現(xiàn)步驟，如圖2所示。其中，前6個(gè)步驟用于形成無(wú)梁岔管三維參數(shù)化設(shè)計(jì)模板，后2個(gè)步驟為設(shè)計(jì)應(yīng)用內(nèi)容。

2 無(wú)梁岔管知識(shí)工程設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

2.1 總體規(guī)劃

平臺(tái)選用。無(wú)梁岔管設(shè)計(jì)需要涉及材料、幾何、力學(xué)參數(shù)及條件，并進(jìn)行空間幾何、結(jié)構(gòu)、水力學(xué)分析等，可以結(jié)合現(xiàn)有三維設(shè)計(jì)平臺(tái)開(kāi)展設(shè)計(jì)。本文在CATIA平臺(tái)上，利用知識(shí)工程原理制作無(wú)梁岔管通用模板，并利用該平臺(tái)的CAA技術(shù)二次開(kāi)發(fā)展開(kāi)圖與放樣點(diǎn)坐標(biāo)自動(dòng)生成模塊。

圖1 無(wú)梁岔管設(shè)計(jì)的知識(shí)模型

圖2 無(wú)梁岔管知識(shí)工程設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)流程

圖3 無(wú)梁岔管管節(jié)構(gòu)成示意

功能要求。提供通用無(wú)梁岔管知識(shí)工程設(shè)計(jì)方法，通過(guò)輸入基本參數(shù)即能直接獲得相適應(yīng)的設(shè)計(jì)方案和圖紙。當(dāng)設(shè)計(jì)方案不能滿足各種約束條件時(shí)，將給出相應(yīng)的警告信息。

2.2 知識(shí)收集與引導(dǎo)

設(shè)計(jì)規(guī)范收集與對(duì)比分析。收集了涉及無(wú)梁岔管體型、水力學(xué)和加工制作要求相關(guān)的中國(guó)、美國(guó)、日本、歐盟設(shè)計(jì)規(guī)范［17-24］，只有中國(guó)水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范［17，18］對(duì)無(wú)梁岔管有明確的設(shè)計(jì)要求和計(jì)算分析方法，本文選用其作為主要依據(jù)。

知識(shí)引導(dǎo)。無(wú)梁岔管結(jié)構(gòu)計(jì)算主要采用簡(jiǎn)化分析法、直接查表法和有限元分析法，本方法結(jié)合規(guī)范簡(jiǎn)化分析獲得初步方案，進(jìn)而采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及方案優(yōu)化。

2.3 變量定義與識(shí)別

無(wú)梁岔管管節(jié)的名稱沿水流向依次為主管過(guò)渡錐、主管主錐、主管錐殼片、頂板錐殼或球殼片、支管錐殼片、支管主錐、支管過(guò)渡錐，含有兩層錐殼片的無(wú)梁岔管如圖3所示。要實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)工程的無(wú)梁岔管三維設(shè)計(jì)，定義和識(shí)別變量是非常關(guān)鍵的工作，包括對(duì)空間幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)等變量進(jìn)行定義與分類;識(shí)別出主要變量，確定主要變量的函數(shù)關(guān)系;理清輸入和輸出變量間的邏輯關(guān)系。

無(wú)梁岔管設(shè)計(jì)過(guò)程涉及如表1所示的多個(gè)存在邏輯和函數(shù)關(guān)系的變量，包括基本輸入變量、用戶輸入變量和輸出設(shè)計(jì)變量。圖4給出了相應(yīng)于圖3無(wú)梁岔管的管節(jié)幾何關(guān)系示意。

2.4 設(shè)計(jì)模板

2.4.1 岔管幾何形體生成

圖4 無(wú)梁岔管管節(jié)幾何關(guān)系

表1 無(wú)梁岔管三維設(shè)計(jì)的主要變量及其關(guān)系

生成岔管幾何形體前必須進(jìn)行草圖繪制，以主管軸線平面內(nèi)的最大公切球球心為原點(diǎn)，繪制各錐管軸線、母線、公切球等，設(shè)置相切、相合、平行、長(zhǎng)度、角度等約束條件，根據(jù)各錐管相貫的空間幾何關(guān)系確定相貫線投影，形成草圖。在草圖基礎(chǔ)上，將各個(gè)母線沿相應(yīng)軸線旋轉(zhuǎn)形成錐體，用相貫線投影面切割相應(yīng)的錐體，生成由各節(jié)錐管組合而成的岔管幾何體。

2.4.2 岔管參數(shù)化設(shè)計(jì)模板形成

定義表1中的基本輸入?yún)?shù)和用戶輸入?yún)?shù)，并建立輸入?yún)?shù)和草圖約束之間的驅(qū)動(dòng)關(guān)系，形成參數(shù)化的無(wú)梁岔管三維模型。對(duì)建好的模型進(jìn)行用戶特征定義，確認(rèn)模板的邏輯關(guān)系正確后，發(fā)布輸入?yún)?shù)，生成無(wú)梁岔管的模板，如圖5所示。為方便用戶使用模板，通過(guò)設(shè)定規(guī)則判定用戶輸入?yún)?shù)的合理性，當(dāng)不滿足要求時(shí)將給出提示。

圖5 無(wú)梁岔管參數(shù)化設(shè)計(jì)模板

2.4.3 施工詳圖繪制

無(wú)梁岔管施工詳圖主要包括岔管三維幾何形體圖、平面布置圖、管節(jié)展開(kāi)圖和工程量統(tǒng)計(jì)表。

通過(guò)應(yīng)用設(shè)計(jì)模板得到岔管設(shè)計(jì)方案后，考慮岔管應(yīng)力分布、加工制造條件、鋼板規(guī)格、焊縫位置和間距規(guī)則等方面的要求，在三維模型上布置焊縫，進(jìn)而得到岔管三維幾何形體圖，將該形體圖投影到水平面上生成平面布置圖。

岔管展開(kāi)圖和工程量統(tǒng)計(jì)表是加工制作的依據(jù)。將岔管三維幾何形體的各管節(jié)展開(kāi)后，基于CAA技術(shù)，使用C++程序語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā)了包括展開(kāi)圖放樣點(diǎn)自動(dòng)讀取和列表、工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和列表功能。

3 工程應(yīng)用

老撾某水電站引水系統(tǒng)采用“一管三機(jī)”布置形式和無(wú)梁岔管結(jié)構(gòu)形式，主管內(nèi)徑8.2 m，3個(gè)支管內(nèi)徑均為4.5 m，岔管設(shè)計(jì)水頭為121 m。岔管外包厚約1.5 m的混凝土，按明岔管設(shè)計(jì)。管材采用Q390C鋼，屈服強(qiáng)度σs=350 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=490 MPa，彈性模量 E=206 000 MPa，泊松比μ=0.3。

采用本文無(wú)梁岔管知識(shí)工程設(shè)計(jì)方法確定的岔管平面幾何尺寸如圖6所示，其體形參數(shù)見(jiàn)表2，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范［18］估算岔管壁厚為36 mm。將設(shè)計(jì)方案的三維模型直接導(dǎo)入有限元軟件ANSYS進(jìn)行應(yīng)力復(fù)核，采用Shell181單元離散岔管，單元和結(jié)點(diǎn)數(shù)分別為5 020、5 078個(gè)。根據(jù)水壓試驗(yàn)工況應(yīng)力復(fù)核結(jié)果，將岔管管壁厚度增至38 mm，管道外壁Mises應(yīng)力分布如圖7所示，最大計(jì)算應(yīng)力與規(guī)范限值見(jiàn)表3，滿足強(qiáng)度安全要求?？紤]2 mm的壁厚裕量，壁厚最終采用40 mm。

表2 岔管體形參數(shù)

表3 岔管最大Mises應(yīng)力及限值MPa

圖6 老撾某無(wú)梁岔管幾何尺寸(單位:mm)

圖7 管道外壁Mises應(yīng)力分布

在岔管三維模型上直觀地進(jìn)行焊縫設(shè)計(jì)，確定出每個(gè)管節(jié)的縱縫位置，將管節(jié)分割成為31塊瓦片，三維幾何形體、平面布置及陰影部分所示典型管節(jié)的展開(kāi)圖和放樣點(diǎn)坐標(biāo)如圖8所示，工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)本岔管凈質(zhì)量約為120 t。該岔管已安裝完畢，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與本文分析結(jié)果基本一致，論證了該岔管結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

圖8 岔管三維模型示意(單位:mm)

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)地提出了無(wú)梁岔管知識(shí)工程的三維設(shè)計(jì)方法，以CATIA平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)模板為核心，輔以CAA二次開(kāi)發(fā)的工具實(shí)現(xiàn)了無(wú)梁岔管體形優(yōu)化、結(jié)構(gòu)分析和施工詳圖繪制的一體化設(shè)計(jì)，使得無(wú)梁岔管這種復(fù)雜的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單易行，并推動(dòng)這種經(jīng)濟(jì)的岔管形式普及化。該方法已在實(shí)際工程中得到了成功應(yīng)用，建立的無(wú)梁岔管知識(shí)工程設(shè)計(jì)模板和擴(kuò)展的岔管展開(kāi)圖模塊，可作為工具供設(shè)計(jì)人員調(diào)用，能很大程度地提高無(wú)梁岔管設(shè)計(jì)的直觀性、高效性和準(zhǔn)確性。

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