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哈尔滨技术学会日报（新系列） 发电站水煮容器中的弯曲管所用的有限元素和实验分析赖一楠 于浩楠 刘献礼 于延民(哈尔滨科学技术大学机械学院 力量工程系 中国哈尔滨 150080 邮箱 )摘要：联合计算机模拟、理论上的分析和实验为发电站水煮容器中的弯曲管提供程序 FEM-数字模拟系统被建立体现在制造程序中扮演重要角色的寒冷的弯曲管，比如椭圆度，壁厚和设备的驱动力比. 实验在哈尔滨煮器工厂进行.FEM模型的参数能为弯曲管的程序模拟力量和质量叁数且错误是在5%以内,实验已经示范了达成这一个系统的结果以及更有用和更经济的超过试验的那些生产方法它大量使用计算机模拟减少生产费用,效果比许多实验要好主要文字: 冷的弯曲管;FEM;椭圆度;稀薄比;CLC数;TG386.43 文件密码A 文章地址1005-9113(2008)02-0198-04 弯曲管的方法已经广泛地被应用在煮器和压力船制造业的领域中汽车工业、航空，航空宇宙制造业，船舶制造业等等以上研究有显示弯曲过程的寒冷能提高其降低强度的20 一 30的力量以及收据控制的成熟技术使它自然成为使用弯区控制的寒冷工作母体然而，弯曲管的程序非常复杂，因此,计划的程序以分析的解决为基础传统的错误法方法不能够解决生产的需要以及可能引起在时间和财务上的浪费,随着计算机科学的发展和 FEM 方法我们大量地使用复杂的程序分析的通常软件是能实现的. 软件 ANSYS 用来模拟那寒冷的管弯曲程序弯曲模拟制度的圆形管被建造为了要预测被驱动力而且有效地形成质量高的设备，像椭圆度，墙壁的稀薄比我们也已经给实验的确认1 冷弯曲程序的摘要经常地有三管弯曲方法：推动方法，磨擦方法和绘图方法。绘图方法在图1中显示风扇形状的模子是通过十字架形状的钥匙替换和固定在设备上的, 固定的螺钳被螺丝固定在风扇形状的模子上而且通过螺丝钳连接可动装置然后管的末端旋转的限制位置和所有的其他模子的替换来实现寒冷管的弯曲。图1，管弯曲的过程质量是最重要的一项评估弯曲管的程序通常，非理想毁坏在弯曲之后发生了。 (如图2所示)图2，管弯曲的形状管的外侧面m-m面以为外部的拉力而变薄，此时管的内部侧壁n-n由于弯曲程序而根据压力变薄，R是设计弯曲半径，是被设计了的管的外部直径，这部分图表表示了这部分形状从圆形到椭圆型，以及墙壁的厚度的不均匀，A是椭圆部分的长轴，B是短轴，S是理想的墙壁厚度，而且S是最小量，S是最大值，椭圆度a=（AB）/X 椭圆比b=（SS1）/S,厚度比C=(S2S)/S 随着煮器的功能的提高，弯管接头的能否符合更高的要求以及设备是否在受驱动力下充分旋转是一个很重要的问题，我们尽可能的预测设备的驱动力来达到高质量和效率，我们可以制造更好的产品来获得更高的利益2 模拟系统的结构 冷弯曲过程是最复杂的包括大的塑性破坏，大的位移，非线形连接的分析，所以我们使用ANSYS软件和它的非线性分析方法建立一个圆形管道弯曲模拟系统来有效的预测驱动力和成型质量21预加工：模型 考虑模型的结构的对称、负荷和限制，我们建造分析模型减少了一半的计算时间而且APDL 参数设计语言用来输入尺寸和和材料的参数，确认哪个是可以再次使用的记录文件，几何学的模型如图3显示图3，管弯曲的几何学模型 在FEM模式下，PLANE42是用来描述管道的部分，VISCO107用来描述销售的塑料管道进行大量的破坏性分析，与管道比较，风扇形状的模子的破坏，固定的螺丝钳和可动加紧装置是比较小的可以忽略不计，所以我们拿硬的或者软的管子用ANSYS来分析连接模型，我们使用三个双向连接，扇型模子的表面是目标元素，TARGE170，管子的附加联络元素是CONTA173，表面的位置是TARGE170，模子表面的夹紧是TARGE170， 连接硬件可达到0.65在理论上0.01到100就可以得到很好的精密和很高的效率2.2 解决;应用负荷 在弯曲管的模拟程序中,大的非线性塑性破坏已经被N-R方法解决,而且多步骤的负荷控制大的破坏,有人预言,自动过程将被加速应用,飞行员也用来控制身体的运动,我们强迫管子的移动然后代替斜坡夹紧的模子,再旋转之后,一个卸货步骤被执行去掉夹紧和空隙2.3继续加工:得到结果 在计算合成之后,解决问题需要以下步骤:1） 动态的展示弯曲管的过程：由于这个功能，我们可以动态的展示管的弯曲过程，并且将其储存，我们可以只选择管子而不是模子以便更清楚的观察管子的破坏，2） 得到模子的作用反力，在POST26中解决模子的作用反力可以帮助我们得到模子的瞬间受力情况，推力大小，和移动加紧力的大小。3） 计算质量参数：薄的切片可以帮助我们得到部分的毁形状，在任何位置可以画出压紧力和变形，我们也可以使用几何方法检查来得到每个环节的数据，然后计算质量参数，比如墙壁厚度，椭圆比，变稀比，厚度比等等3 实验和模拟之间的比较为了实验FEM的模拟系统的精确程度，实验被安排在了哈尔滨煮沸工厂用两种管子来做：管 A：直径 168 毫米，墙壁的厚度30 毫米，弯曲半径 400 毫米，材料 20 G管 B：直径 141 毫米，墙壁的厚度25毫米，弯曲半径 350 毫米，材料 20 G31比较模子的作用力 来自模拟的管 A 和 B 的瞬间弯曲被显示在图4中图4，弯曲时刻的图表显示载入程序时间在2点，完成时间在6点，卸载程序时间从6点到7点，从每一条单一的曲线上我们能可以看到弯曲的时刻从一开始很快增加到一个很高的水平，然后弯曲的的增长开始变慢，这就使得主要的压力分界点集中在弯曲的初始阶段，而且这与（6）中的判断一致，每条曲线最大弯曲时刻出现在最大破坏处，这个结果与实验者的预测一致。这很清楚的表明管A比管B需要更高的驱动力，这个结果使我们可以更适当的来安排设备。3.2管弯曲质量的比较 模拟管A和管B的椭圆度在图5中显示图5，椭圆度的图表很明显是1800的弯曲管最大椭圆度不是我们通常想象的在90上，而且真正的连接位置对弯曲半径是一个扩充，模拟错误是在不同的模拟实验中占的百分比不同，表1显示了个部分的比较。 外部墙壁的变薄是最严重的缺点，通过模拟，我们可以预测变薄的位置，然后决定时候需要尽快改善，在图6中显示了整个管外部墙壁的变薄情况表1 实验和模拟的椭圆度的比较图6，变薄比的图表 从中我们可以看到管最初的弯曲部分已经在压力的作用下发生了大的塑性破坏。表2展示了模拟和实验之间变薄的对比情况表2，实验和模拟的变薄比的对比情况。 FEM参数的模型在这此建立，可以模拟管的弯曲力和质量参数误差在5内，考虑到获得数据和真正因素的冲击的简单方法，我们可以接受和使用它因为设备的表现和质量预测能获得比实验生产更高效的结果。4 管的弯曲上的进一步研究 FEM的数字模拟不仅能预测设备的功能和弯曲管的过程质量，而且可以也可以发现一些程序影响因素，这会帮助我们将程序做到最好来采取改善的措施，然后我们将讨论最佳的回转速度和背面的推力41 回转速度的冲击金属的塑性破坏一定伴随着速度的破坏，所以回转速度关系到管子的弯曲质量，我们将弯曲不同速度下的相同管子 ：0.4 rads，1.0 rads 和 1.6rads 比较他们的椭圆度 其结果显示在图7中图7，不同回转速度下的椭圆比显然我们使用越高的速度，使管变形的时间就会越短，这样将不利于我们得到高质量的管，这就建议我们减慢速度会有益与质量，42 背部力量的冲击 在实际生产中，背部受力总是可以得到更好的质量，在这里来模拟，（如图8所示） 我们能见到在管的最后使用了大的推力，我们就会得到更高的质量，但是这个影响不是很显著，在模块化的模拟中我们已经忽略了可逆破坏结构的影响，如果这个结构被采取，正如当真正生产时，材料会流动到结构的缝隙中，这会非常有益于质量参数，除此之外，在推力被应用以后，回转的时间就会大大减小，那对大管的弯曲是很重要的。图8，不同推力下的椭圆比的比较5 结论 一个FEM数字模拟系统的建立可以展示冷管的弯曲，比如椭圆比，侧壁的变薄比和设备的驱动力，计算机将模拟计划和使计划被预测，与实际生产做比较，模拟的方法被证明比通过试验-生产的方法得到更高的效率和经济性。参考：（1） 罗模占驼罗（印度的一个神教，）松紧带-塑性破坏的力学基础预测在经过一个侧壁圆周的管的弯曲中，交易在印度的金属学会进行，2005，58 (2)：461466（2） 自应力加工中的厚壁弯曲管，国际机械学会的记载2O04，46(11) 16751696（3） 贝克.海德。几何学在攀爬900的失败中具有影响力，用开始的状态给弯曲管增压了，国际压力管道，2005，82，（7）：509-16（4） 赖一喃 张光欲 于好喃 。数字的模拟和旋转的弯曲管的最佳设计 提供了材料和技术。2008。10-12：172-176。（5） 魏施 弯曲管的做图制造技术的数字分析，力量工程学。2003，19（4）：89-92（6） 胡中，对当地的用感应加热一个大的半径厚壁管的弯曲进行研究。中国机械工程。1998，9（3）：19-22。接收 2006-05-07根据哈尔滨科学和技术局 (授权号 2007 RFXXGO26) 黑龙江省对外贸易部赞助(授权号11511069)1 引水渠断面设计设引水渠宽为b,矩形断面，i=0.0005，n=0.025，m=0，按最佳水力断面设计 b=2h Q设=2.5m3/s时 属于渠道中正常流速范围 图1 图2 图3 渠底高程为：26-1.354=24.646m23m保持b不变，取b=2.7m，计算通过流量，23m水位时的 试算得h=0.51m 渠底高程为23-0.51=22.49 m校核最高水位为27m时Q=是否能通过 =2.74.51=12.177R= 满足过水要求2 进、出水池水位2.1出水池水位确定设计水位为 60m,断面形式同引渠，矩形断面 n=0.025，i=0.0005，当为设计水位时，设计流量 2.5采用水力最佳断面，b=2.7m，h=1.354m，灌区渠首的渠底高程为：60-1.354=58.646m 当Q=3由试算得，h=1.51m Q=0.6由试算得，h=0.51m所以出水池水位为：最高运行水位为 58.646+1.51=60.156m，最低运行水位为 58.646+0.51=59.156m渠顶高程为 60.156+0.51=60.666m图42.2进水池水位确定引渠坡降i=0.0005，为明渠均匀流，引渠粗糙系数n=0.025，设渠长为100m，局部阻力系数干渠出口 =0.1，拦污栅=0.3，前池进口=0.4 当Q=0.6m时 v= Q=2.5m 当Q=3m时， = 进水池水位为 最高水位为 27-0.0525=26.948m 设计水位为 26-0.0529=25.947m 最低水位为 23-0.0580=22.942m3 扬程计算3.1根据进、出水池水位确定最大、最小、设计扬程 最大扬程 60.156-22.942=37.209m 设计扬程 60-25.947=34.053m 最小扬程 59.156-26.948=32.208m3.2管路水头损失取净扬程的10% 泵站的扬程为 Hmin=（1+0.1）32.208=35.429H设=（1+0.1）34.053=370458Hmax= (1+0.1)37.209=40.9304 机组选型选泵初选两方案方案一：6台500s59B，扬程41m，对应单台流量1800可满足用水要求（NPSH）为4.5m。 方案二：5台500s59A,扬程41m时，对应单台流量2160，可满足用水要求(NPSH)为4.5m。 结合比较两个方案，初定方案一，即采用6台500s59B，转速n=970r/min，单台配套315kw，6000v，Y400-46-6型电机，水泵进口500mm ，出口350mm，初步考虑Q=0.6，采用两台变速调节，同时增加泵站的给水灵活性。 5 管路布置，确定水泵的安装高程 水泵进口500mm，进水管大一个规格，取为600mm ， 水泵出口350mm，出水管大一个规格，取为550mm ，验算Q=3，进水管 v= 出水管v= 均符合要求5.1选择进水管管件，查（给水排水设计手册（中国建筑工业出版社，1986.7出版），得各局部阻力系数 喇叭口 D=1.5 水泵入口 拦污栅 5.2初设吸水管入口至水泵进口长度为12m当 Q= 0.6, m 当Q=， m5.3计算管路阻力系数吸水管直管d(mm)l(m)n600120.012附件名称（规格）数量d=900喇叭口10.10.064900弯头d=60011.00.64d=600/500偏心渐缩管10.20.128水泵入口11.00.64拦污栅10.30.192合 计s吸=s 吸沿程+s吸局部=1.927出水管直管d(mm)l(m)n550570.012附件名称（规格）数量d=550带闸阀 10.060.054d=350/550渐阔管10.420.37945弯头20.50.902d=550淹没式出口11.00.902伸缩器30.210.57合 计s出= s 出沿程+s出局部=6.15合 计s总=6.15+1.927=8.077表一5.4据海拔高程及水温对H进行修正：海拔高程，最低水位时为22.942m，查水泵及泵站（西安理工大学栾鸿儒主编，中国水利电力出版社，1993.6版） 表43得 由表41气温40.5度， 当Q=3时，水泵的安装高程为：22.942+10.3-0.75-4.5-0.759=27.233m 当Q=0.6 时，水泵的安装高程为：26.948+10.3-4.5-10+10-0.75-0.28=31.72m两者取小值，故水泵的安装高程为27.233m计算水泵的工况点，进行工况校核6 进行进出水管布置，并计算各阻力系数 出水管路布置见泵中的轴线剖面图，列表计算管路阻力系数，见表一，计算管路的水头损失 。,S一定，假设不同的流量，求出相应的h，采用数解法求解泵的工况点，设(查给水排水工程设计手册 4 给水排水设备（ 李金根主编，中国建筑工业出版社 ，1996年版) 得两点（1400，46）、（2020，32） 解方程得 A=58.90 B=85.45 所以 , 联立方程得水泵的工况点（1846，36.42）在高效区范围内，设计流量时开5台泵即可满足要求。当时，开6台泵，其工况点由数解法来确定： ，泵的工况点（1725，39.27）同样在高效区范内当时， 得泵的工况点（1914，34.74）同样在高效区范围内，但由于时，开1台泵不满足要求，开2台泵效太低，故开2台泵，然后进行工况调节。采用变速调节（数解法） ，代入，得H=38.02m代入B点的相似抛物线方程得：联立 （1）， (2)得 Q=1226.7, H=49m ,由相似比定律 即将水泵的转速调节到860r/min 即可满足要求7确定泵房位置的结构形式 7.1在泵站中轴线上选2个点，比较确定泵房位置 点1：输水干渠岸边，自此处取水，可不修引渠，减少开挖量，取水条件好，但是在同等条件下，管道长度加大，投资大，且管路损失大，以后的运行量也多。 点2：30m高程附近布置泵房，在此处布置，引渠和管路长度相当，且符合地形条件，同等条件下布置，靠近出水池，缩短了管路长度，减少了管路损失，降低了运行量，但处于变坡上，通风采光条件可能不好。 综合考虑布置原则，选择点2布置泵房及枢纽7.2泵房内部结构形式拟定 选择单级双吸离心泵卧式机组，水源水位变幅4m，站址附近地质条件较好，地下水位埋深5m，且无断层和破碎带，选择分基型泵房建设8 泵房内部布置及尺寸拟定8.1主机组采用一列式布置，即主机组位于同一列直线上，见泵房平面图 （1）单间长度计算水泵基础长度b=0.58+1.167+1.0+0.6=3.347m，机组长度为 b=3.51m. 两者取大值 b=3.51m机组净距 ，得机组中心距，所以主机房长度为 所以实选主机房长度为35m，单间长度为5m ，共7间（2）泵房高度其中 代入得，H=6.47m, 取H=7.5m 如图所示图5 （3 ）泵房跨度 所以泵房跨度为： b=2.5+0.35+1.64+0.55+0.54+3=8.73m， 取9m ， 考虑选用DL型，载重50吨的吊车，宽度为7.5m，吊车配套电动葫芦，380V,50HZ,3相电，带动电动机型号ZDY12-4,功率2KW,转速为r=1380r/min泵房跨度如图所示：图68.2辅助设备选择和布置 （1）配电：室外设6000v-380v变电站，接入配电室，配电室中安装6个配电柜，供6台泵使用，另立2个配电柜，接附近照明电路，满足泵站其它生活用电要求。 配电间的高程为：28.233m，按一间布置结构 配电柜接出的电缆接到各台泵上，电缆挂在交通道下。（2）检修：检修间按一间布置，靠近山墙一侧设3m宽大门，检修间的高程为：28.233m。 （3）交通：主交通道设在出水一侧，宽为1.6m；副交通道设在进水一侧，宽为1.8m；交通间的高程为：28.233m （4）充水：采用水环式真空泵，考虑抽气量与真空度 其中K=1.5, T=5min, V由下图中闸阀前所有空气体积确定 选两台SZ-2型真空泵，互为备用，其配套动力10KW，转速为1450r/min，（查给水排水设计手册 第11册 常用设备）（5）起重：采用单梁式吊车，可控制泵房任意布置，以5吨考虑，选用DL型跨度为9m ，配套380v，50HZ的三相电型的电动葫芦，型电动机。（6）排水：主泵房内设排水沟，并设地面排水单坡坡降i=1/100，在排水沟尽头设沟接外部集水井，其中沟宽20cm，深为20cm，将水汇集与井内，通过排水泵排入进水池。（7）通风：通风量计算 考虑太阳辐射 泵房内降温所需空气量： 单个房间一面窗户所需 窗户选型： 下排窗采用竖轴板式进风窗，开启90度，阻力系数 上排窗采用竖轴板式进风窗，开启90度，阻力系数 进风窗 排风窗 （其中 由右图的： 图7满足通风要求。9 设计进出水建筑物，布置支、镇墩及管路9.1引渠设计见19.2进水池设计 （1）进水池宽B由泵房进水管路确定B,C=0.9m，S=3, 以, 含5个宽为0.5m的隔墩，可做绿化。 （2）进水池长确定： 二者取大值得：L=4.86m隔墩长为4.86m，且前端作成流线形，以改善泵的进水条件。如图所示图8 （3）悬空高度：，满足要求。 （4）淹没深度： （5）后墙距： T=0.9（6）进水池池深H 9.3前池设计 前池将引渠和进水池前后衔接起来，其扩散角为=30o为正向进水前池（1）池长L及边壁形式确定，如图示L= 图 9（2）前池池底纵向坡度i前池前16.8m段高程同引渠渠底高程，后8.4m作成i=0.2的坡段连接进水池 （3）翼墙形式前池翼墙形式断面同引水渠挡土墙断面9.4出水池设计 综合考虑灌溉要求，该出水池宜设成侧向出水池（1） 池深确定： 管口下缘至池底距离 P=0.2m 出水池底板高程 底=min-(Cmin+D0+P)=59.15-(0.163+0.55+0.21)=58.237m出水池池顶高程 顶=max+h=60.15+0.5=60.65m（2）池宽B确定 图10管口上缘的最小淹没深度 =B4D0=2.2m 取B=2.634m（3）池长确定L=L2+L1+L1=0.5+2.5+28.1=31.11m（4）出水池与干渠衔接收缩角取30o 过度段长度 紧靠过渡段的一段干渠，由于水流紊乱，易冲刷， 图表 10 应进行护砌，长度 Ln=（45）h=51.5=7.5m出水池长度，如图119.5挡土墙尺寸验算（一）引渠挡土墙验算 挡土墙高H =5.5m，墙背倾斜=14o，填土表面水平（=0），墙内摩擦角=23o，填土为粗沙， =35o，r =19KN/m3，地基承载力f=22t/m3=216kpa(1) 初定挡土墙尺寸，如图（取单宽1m） 墙自重 W=（0.5+1.78）2.5+0.53.424=177.6KN图12 (2) 土压力计算 用库仑土压力理论，计算作用于墙上的主动土压力 Pa=0.5H2Ka=0.5195.520.38=109KN/m 土压力的竖向分力 Pay=Pasin(+)=Pasin37o=65.6KN/m 土压力的水平分力 Pax=Pacos(+)=Pacos37o=87.06 KN/m (3)抗滑稳定计算 =0.5 Ks=1.3 安全（4）抗倾覆验算 自重W的力臂a=2.08m，Pay的力臂b=2.76m，Pax的力臂h=1.83m Kt =1.5 安全（5）地基承载力验算 1o 作用在基础底面上的总竖向力 N=W+Pay=177.6+65.6=243.2KN 2o 合力作用点与墙前距o点的距离 x= 3o 偏心距 e=B/6=3.4/6=0.6 4o 基底边缘应力 Pmax(min) 5o 要求满足下列公式 0.5（Pmax+Pmin）=0.5(83+60.3)=71.05KPa216KPa Pmax=83.01.3 安全（4）抗倾覆验算 自重W的力臂a=2.105m，Pay的力臂b=3.22m，Pax的力臂h=2.37m Kt =1.5 安全（5）地基承载力验
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