烟岗水电站钢岔管结构受力分析及体型优化

论文摘要

岔管是水电站地下工程的关键部位之一。一般来说,岔管位于压力管道的末端并靠近厂房,当承受内、外水压力作用时,水流情况和受力情况都较为复杂。因此,研究各种体型岔管结构的应力与变形情况,对于岔管的优化设计以及工程的经济性与安全性有着非常重要的意义。岔管结构的受力特征与岔管结构的型式、岔角的参数选择和所处的地质环境及条件有很大的关系,加上岔管种类繁多,不同的岔管所提供的参数又有很大的不同,因此,对岔管结构型式进行合理的优化分析是十分必要的。本文使用目前国内工程领域应用广泛的有限元分析软件ANSYS对烟岗水电站引水管道的岔管结构进行了三维非线性有限元分析。具体内容包括：(1)在查阅大量国内外资料的基础上,对钢岔管的发展概况、应力分析方法和研究的意义进行了总结和综述。(2)阐述了板壳有限元法的基本原理；介绍了ANSYS软件的发展、应用和特点、以及该软件中的壳单元等。(3)根据钢岔管的布置、水力条件和受力条件等,对钢岔管的布置和体形进行优化,包括分岔角、主、支管锥角等。(4)在考虑钢管与围岩联合承载时,主要研究了不同围岩条件下围岩的承载比例,以及初始缝隙对钢岔管应力的影响。通过三维有限元计算,对钢岔管管壳厚度和内加强月牙肋尺寸进一步优化,以达到减小钢岔管管壳厚度和内加强月牙肋尺寸的目的。(5)对联合承载确定的钢岔管体形,按明钢岔管进行三维有限元计算分析,对运行工况下钢岔管的应力状态进行了校核,并对钢岔管在水压试验工况下的应力和变形状况进行分析。(6)通过计算研究,提出钢岔管加劲环的断面尺寸和间距以及抗外压稳定的其它加劲措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外岔管结构的发展概况
• 1.3 岔管结构应力分析方法
• 1.3.1 理论分析方法
• 1.3.2 有限元分析方法
• 1.4 岔管结构研究的意义
• 1.5 本文的主要内容
• 2 板壳单元有限元法的基本理论
• 2.1 有限单元法的基本概念
• 2.1.1 有限元法基本理论
• 2.1.2 有限元法分析的基本过程
• 2.2 板壳有限元概述
• 2.2.2 薄板弯曲问题的基本公式
• 2.2.3 壳单元的刚度矩阵
• 2.3 本章小结
• 3 有限元计算软件ANSYS简介
• 3.1 有限元分析的发展
• 3.2 ANSYS软件简介
• 3.3 ANSYS中的壳单元
• 3.3.1 SHELL63的单元说明
• 3.3.2 SHELL63的数据输入
• 3.3.3 SHELL63的假设与限制
• 3.4 ANSYS中的非线性分析
• 3.4.1 非线性方程组的求解方法
• 3.4.2 收敛准则
• 3.5 ANSYS在土木工程中的应用
• 3.6 本章小结
• 4 计算模型
• 4.1 概况
• 4.1.1 工程概况
• 4.1.2 基本资料
• 4.2 月牙肋岔管设计理论与方法
• 4.2.1 月牙肋岔管体形设计
• 4.2.2 管壁厚度的确定
• 4.2.3 月牙肋板的设计
• 4.2.4 岔管体形设计程序
• 4.2.5 岔管体形设计成果
• 4.2.6 岔管体形设计成果分析
• 4.3 埋藏式钢岔管与围岩联合承载
• 4.3.1 计算荷载与组合
• 4.3.2 模型简化与假定
• 4.3.3 单元选取和网格剖分
• 4.3.4 模型范围及边界条件
• 4.3.5 计算方案
• 4.4 钢岔管单独承载
• 4.4.1 计算荷载与组合
• 4.4.2 计算方案
• 4.5 本章小结
• 5 有限元计算成果分析
• 5.1 埋藏式钢岔管与围岩联合承载
• 5.2 分岔角敏感性分析
• 5.3 钢岔管单独承载三维有限元分析
• 5.4 钢岔管抗外压稳定分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献