带限位装置的复式伸缩节高效建模方法及系统

1.本发明属于引调水工程有限元建模领域，具体涉及一种带限位装置的复式伸缩节高效建模方法及系统。


背景技术：

2.长距离引调水工程大量采用压力管道输水，管道结构的安全性至关重要，同时也关系到整个工程的施工组织设计和造价。伸缩节是压力管道中为减少或消除由温度变位或不均匀地基变形所产生的附加应力而设在两管节之间的构件，复式波纹管伸缩节具有不漏水、安装方便、维修简单、运行可靠和位移补偿能力强等优点，20世纪90年代后在很多水电站和引水工程中得到了应用。
3.在工程设计中，为了确保结构的安全性，一般采用有限元建模计算方法对压力管道(包括钢管和伸缩节)进行强度校核。如图1所示，复式波纹管伸缩节1结构较为复杂，除了起主要作用的波纹管2外，还包括中间接管3、左端接管41、右端接管42、立板5、销轴6-1、卡箍6-2、套箍6-3、卡圈6-4等，部分型号还涉及主、副铰链板7、加强环8、加劲板9等，各部分结构制作精密，相互之间的连接复杂。长距离引调水工程的模型尺度一般较大，若复式伸缩节采用高精度、无简化的建模方法，模型过程过于繁琐，且最终模型网格的数量较多，计算难度骤增。
4.目前关于波纹管伸缩节的文献多采用允许应力作为控制条件，然而波纹管一般采用不锈钢制作而成，该材料比例极限较低，具有明显的塑性特征，在结构应力达到允许应力大小时，材料基本上未达到屈服状态，承载能力还有较大的富余。伸缩节与管道结构组合形成工程系统，由于伸缩节设有限位不能随意伸长，当结构发生很大变形时，破坏便会从伸缩节转移至系统中的其他结构上，如果不考虑伸缩节的限位作用，变形则还集中在伸缩节处，这与实际有较大差距。因此，针对复式波纹管伸缩节，根据伸缩节的工作特性提出与之相适应的有限元高精度、高效率简化建模分析方法对压力管道结构设计安全性校核具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供带限位装置(包括复式伸缩节中的所有限位结构，例如，销轴、卡箍、套箍、卡圈、主副铰链等)的复式伸缩节高效建模方法及系统，能够准确、快速地模拟结构在静力和振动环境下的真实响应，实现对复式伸缩节的高精度、高效率计算分析。
6.本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
7.《方法》
8.本发明提供一种带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.步骤1.建立左端接管和右端接管的有限元模型；
10.步骤2.在第一连接区域的圆心建立第一节点，在第二连接区域的圆心建立第二节点，以第一节点和第二节点为左右端点，建立一根线段，将线段按照波纹管和中间接管的实际长度分为左、中、右三段，给左、右段赋予代表波纹管的单元类型，给中段赋予代表中间接管的单元类型；
11.步骤3.在第一节点和第一连接区节点、第二节点和第二连接区节点之间建立点对点连接器一；
12.步骤4.在第一节点和第二节点之间设置点对点连接器二；
13.步骤5.给不同的单元赋予不同的单元属性，为点对点连接器二设置合适的力-相对位移非线性关系曲线。
14.优选地，本发明提供的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，按照实际管径和壁厚建立左端接管和右端接管的有限元模型，将左端接管的最右侧第一排单元节点建立节点集合，作为第一连接区域，将右端接管的最左侧第一排单元节点建立节点集合，作为第二连接区域。
15.优选地，本发明提供的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，第一节点与第一连接区域的每一节点建立点对点连接器一，形成第一组约束；第二节点与第二连接区域的每一节点建立点对点连接器一，形成第二组约束；点对点连接器一的截面选用6自由度耦合的梁式截面。
16.优选地，本发明提供的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，还可以具有以下特征：在步骤4中，选择第一节点作为点对点连接器二的点一，选择第二节点作为点对点连接器二的点二，选择点对点连接器二的连接截面为轴向平移类型，且不对截面旋转做更多约束。
17.优选地，本发明提供的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，还可以具有以下特征：在步骤5中，为各部分结构设置相应的单元属性，波纹管的刚度按等效刚度进行模拟。
18.优选地，本发明提供的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，还可以具有以下特征：在步骤5中，为点对点连接器二设置合适的力-相对位移非线性关系曲线，使得结构发生一定变位后，点对点连接器二能够发挥限制作用：在点对点连接器二的相对位移u处于0～u1阶段，仅波纹管发生弹性变形，曲线斜率为波纹管管材的刚度系数k1，u1为伸缩节设计补偿量，f1＝k1*u1，点对点连接器二受力数值增加缓慢；在u1～u2阶段，限位装置承力开始拉伸，限位装置钢材进入屈服阶段的屈服点为u
ε
，u2＝u
ε
+u1，曲线斜率为限位装置钢材的刚度系数k2，f2＝f1+k2*(u
2-u1)；在u2～u3阶段，限位装置进入强化阶段，f3为钢材拉断时所承受的最大力，u3＝e*l+u2，e为限位装置钢材伸长率，l为限位装置原长；在u1～u3阶段，点对点连接器二起到限位的作用，结构位移的数值增加变缓，点对点连接器二受力的数值骤增；在u＞u3的阶段，点对点连接器二受力增量为零，位移不断增大。
19.优选地，本发明提供的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，还可以包括：步骤6.根据步骤1～5构建的复式伸缩节模型模拟获得基于力—位移关系的复式伸缩节破坏判定条件，具体包括：步骤6-1.提取点对点连接器二的相对位移和受力大小；步骤6-2.以相对位移为横坐标，受力大小为纵坐标绘制曲线图；步骤6-3.当曲线斜率小于设定的k值时，认为结构发生破坏。
20.《装置》
21.进一步，本发明还提供基于以上《方法》的带限位装置的复式伸缩节高效建模系统，其特征在于，包括：
22.两端接管建模部，建立左端接管和右端接管的有限元模型；
23.波纹管和中间管建模部，在第一连接区域的圆心建立第一节点，在第二连接区域的圆心建立第二节点，以第一节点和第二节点为左右端点，建立一根线段，将线段按照波纹管和中间接管的实际长度分为左、中、右三段，给左、右段赋予代表波纹管的单元类型，给中段赋予代表中间接管的单元类型；
24.节点与连接区关系构建部，在第一节点和第一连接区节点、第二节点和第二连接区节点之间建立点对点连接器一；
25.节点间连接关系构建部，在第一节点和第二节点之间设置点对点连接器二；
26.属性赋予部，给不同的单元赋予不同的单元属性，为点对点连接器二设置合适的力-相对位移非线性关系曲线；以及
27.控制部，与两端接管建模部、波纹管和中间管建模部、节点与连接区关系构建部、节点间连接关系构建部、属性赋予部均通信相连，控制它们的运行。
28.优选地，本发明提供的带限位装置的复式伸缩节高效建模系统，还可以包括破坏判定部，与控制部通信相连，根据步骤1～5构建的复式伸缩节模型模拟获得基于力—位移关系的复式伸缩节破坏判定条件，具体包括：
29.步骤6-1.提取点对点连接器二的相对位移和受力大小；
30.步骤6-2.以相对位移为横坐标，受力大小为纵坐标绘制力—位移关系曲线图；
31.步骤6-3.当曲线斜率小于设定的k值时，认为结构发生破坏。
32.优选地，本发明提供的带限位装置的复式伸缩节高效建模系统，还可以包括：输入显示部，与控制部通信相连，让操作员输入操作指令，并根据控制指令显示相应的信息；其中，输入显示部根据控制指令能够对两端接管建模部、波纹管和中间管建模部、节点与连接区关系构建部、节点间连接关系构建部、属性赋予部的输入、输出数据和处理过程以数据表或图像形式进行静态或动态显示，并能够对破坏判定部确定的力—位移关系曲线图和复式伸缩节破坏判定条件以及判定结果以数据表或图像形式进行静态或动态显示。
33.发明的作用与效果
34.本发明所公开的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法及系统，解决了复式伸缩节整体结构模拟困难，难以考虑限位措施，无法准确模拟结构破坏阶段的问题，能够模拟初始加载至结构破坏全过程中复式伸缩节的力学特性，使复式伸缩节的有限元简化模型快速、准确地模拟结构在静力和振动环境下的真实响应情况，实现对复式伸缩节的高精度、高效率结构计算分析。
附图说明
35.图1为本发明涉及的带限位装置的复式波纹管伸缩节的结构示意图；
36.图2为本发明实施例涉及的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法的流程图；
37.图3为本发明实施例涉及的带限位装置的复式伸缩节的有限元简化模型图；
38.图4为本发明实施例涉及的第一节点和左端接管之间设置的点对点连接器一的示意图；
39.图5为本发明实施例中为点对点连接器二设置的力-相对位移关系示意图；
40.图6为本发明实施例涉及的结构破坏准则示意图；
41.图7是本发明实施例涉及的带限位装置的复式伸缩节常规实体有限元模型图；
42.图8是本发明实施例涉及的两种模型约束端水平反力位移变化曲线图；
43.图中，1-带限位装置的复式波纹管伸缩节，2-波纹管，21-波纹管一，22-波纹管二，3-中间接管，41-左端接管，42-右端接管，5-立板，6-1-销轴，6-2-卡箍，6-3-套箍，6-4-卡圈，7-铰链板，8-加强环，9-加劲板；10-本发明带限位装置的复式波纹管伸缩节模型，11-第一节点，12-第二节点，13-左段，14-右段，15-中段，16-点对点连接器一，17-第一组约束。
具体实施方式
44.以下结合附图对本发明涉及的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法及系统的具体实施方案进行详细地说明。
45.《实施例》
46.如图2所示，本实施所提供的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，包括如下内容：
47.(1)建立左端接管41和右端接管42的有限元模型，具体步骤如下：
48.①
选定工作面，按照管道的实际大小，绘制左端接管41的截面草图，接着进行拉伸成体；平移工作面，为波纹管2和中间接管3留好位置，绘制右端接管42的截面草图，接着进行拉伸成体。给端接管划分网格，赋上shell单元，为了计算的准确性，管道圆周网格份数不低于48份。
49.②
将左端接管41的最右侧第一排单元节点建立节点集合，作为第一连接区域，将右端接管42的最左侧第一排单元节点建立节点集合，作为第二连接区域。各节点集合包括48个边缘节点。
50.(2)如图1和3所示，建立波纹管2和中间接管3的有限元模型，具体步骤如下：
51.①
在第一连接区域的圆心建立第一节点11，在第二连接区域的圆心建立第二节点12，以第一节点11和第二节点12为左右端点，建立一根线段。
52.②
将线段按照波纹管2和中间接管3的实际长度分为左、中、右三段13～15，划分好网格，给左段13、右段14赋予代表波纹管2的单元类型，可以为beam单元、bar单元等，本实施例设为beam单元。给中段15赋予代表中间接管3的单元类型，可以为beam单元、pipe单元等，本实施例设为自由度更高的pipe单元。
53.(3)如图1和4所示，建立波纹管2与两端接管41、42之间点对点连接器一16，具体步骤如下：
54.①
第一节点11与第一连接区域的每一节点建立48个点对点连接器一16，形成第一组约束17。
55.②
第二节点12与第二连接区域的每一节点建立48个点对点连接器一16，形成第二组约束(图中未显示)。
56.③
点对点连接器一16的截面选用u1，u2，u3，ur1，ur2，ur3，6个自由度耦合的梁式截面，可以很好地模拟波纹管与左右端管之间的焊接作用。
57.(4)在第一节点和第二节点之间设置点对点连接器二，具体步骤如下：
58.选择第一节点11作为点对点连接器二的点一，选择第二节点12作为点对点连接器二的点二，创建连接截面为轴向平移类型，且不对截面旋转做更多约束。
59.(5)给不同单元赋上不同的单元属性，为连接器设置力-相对位移关系曲线，曲线如图5所示，得到复式波纹管伸缩节模型10；具体步骤如下：
60.①
给shell单元、beam单元和pipe单元赋予相应的单元属性，其中波纹管的等效刚度，可通过式中k0为伸缩节的铭牌刚度，e为波纹管的弹性模量，a为波纹管的平均截面面积，l为伸缩节波纹管段的总长度；将波纹管的实际尺寸带入，转化为beam单元的弹性模量。
61.②
为点连接器二17设置合适的力-相对位移关系曲线。管道结构受到位移荷载时，位移大小被波纹管2部分吸收从而产生结构变位(下面以受拉为例)；初始(0～u1阶段)仅波纹管发生弹性变形，曲线斜率为波纹管管材的刚度系数k1，u1为伸缩节设计补偿量，f1＝k1*u1；点对点连接器二受力的数值增加较缓；u1～u2阶段，限位装置承力开始拉伸，限位装置钢材进入屈服阶段的屈服点为u
ε
，u2＝u
ε
+u1，曲线斜率为限位装置钢材的刚度系数k2，f2＝f1+k2*(u
2-u1)；u2～u3阶段，限位装置进入强化阶段，f3为钢材拉断时所承受的最大力，u3＝e*l+u2，其中e为限位装置钢材伸长率，l为限位装置原长；待波纹管被拉到一定程度时(u1～u3阶段)，点对点连接器二起到限位的限制作用，结构位移的数值增加变缓，点对点连接器二受力的数值骤增；等到相对位移超出结构承受范围时(u＞u3阶段)，认为复式伸缩节彻底失效，不起作用，此时点对点连接器二受力增量为零，而相对位移继续增大。
62.(6)如图6所示，基于复式波纹管伸缩节模型10工程特点确定复式伸缩节的破坏准则(破坏判定条件)，具体步骤如下：
63.①
提取第一节点11、第二节点12的合力大小和波纹管一21、波纹管二22的内力大小，通过换算求得点对点连接器二所承担力的大小；
64.②
提取第一节点11和第二节点12的位置变化，通过坐标相减，求得点对点连接器二的相对位移；
65.③
以点对点连接器二的相对位移为横坐标，受力大小为纵坐标绘制曲线图；
66.④
当曲线斜率等于0时，即在模型计算过程中，伸缩节的内力保持不变，而位移继续增大，认为该实施例的复式伸缩节结构发生破坏。也可设置结构破坏斜率不为0，为工程的运行留一定安全裕度。
67.由图3和图7对比可知本发明方法的建模难度相比常规方法有限元模型下降很多，图7所示常规有限元模型，需要建立多个部件，且要考虑好每个部件之间的相互接触关系，工程量较大。在网格疏密度大致相同的情况下，本发明模型10的网格数量为2403个，而图7现有技术建模网格数量为27353个，网格数量减少91.2％，计算使用机时根据总体工程规模的不同，下降最高可达60％。
68.将上述步骤应用在一个针对结构位移进行极限分析的简单算例，计算中首先施加重力、水压力，然后伸缩节一端固定，另外一端施加轴向拉伸模式的位移，伸缩节的轴向极限补偿量为
±
150mm，波纹管钢材选用304不锈钢，左右端管和中间接管钢材采用q345r，限位装置钢材采用q235，模型本构采用多线性随动强化弹塑性模型。对模型进行拉伸，将简化模型和常规模型的结构约束端水平方向反力提取出来，随拉伸位移的变化曲线绘制如图8
所示。由图8可知，利用本发明方法对复式伸缩节进行有限元建模并进行加载计算得到的结果，与现有技术采用实体模型对伸缩节整体进行建模得到的结果相比，具有较好的一致性。
69.进一步，本实施例还提供了基于以上方法自动进行高效建模的系统，该系统包括两端接管建模部、波纹管和中间管建模部、节点与连接区关系构建部、节点间连接关系构建部、属性赋予部、破坏判定部、输入显示部以及控制部。
70.两端接管建模部执行上文步骤(1)所描述的内容，建立左端接管41和右端接管42的有限元模型；
71.波纹管和中间管建模部执行上文步骤(2)所描述的内容，在第一连接区域的圆心建立第一节点，在第二连接区域的圆心建立第二节点，以第一节点11和第二节点12为左右端点，建立一根线段，将线段按照波纹管2和中间接管3的实际长度分为左、中、右三段13～15，给左、右段13～14赋予代表波纹管21～22的单元类型，给中段15赋予代表中间接管3的单元类型。
72.节点与连接区关系构建部执行上文步骤(3)所描述的内容，在第一节点11和第一连接区节点、第二节点12和第二连接区节点之间建立点对点连接器一16。
73.节点间连接关系构建部执行上文步骤(4)所描述的内容，在第一节点11和第二节点12之间设置点对点连接器二。
74.属性赋予部执行上文步骤(5)所描述的内容，给不同的单元赋予不同的单元属性，为点对点连接器二设置合适的力-相对位移非线性关系曲线。
75.破坏判定部执行上文步骤(6)所描述的内容，与控制部通信相连，根据步骤1～5构建的复式伸缩节模型10模拟获得基于力—位移关系的复式伸缩节1破坏判定条件，并对给定场景下的复式伸缩节1结构破坏情况进行判断。
76.输入显示部让操作员输入操作指令，并根据控制指令显示相应的信息。例如，输入显示部根据控制指令能够对两端接管建模部、波纹管和中间管建模部、节点与连接区关系构建部、节点间连接关系构建部、属性赋予部的输入、输出数据和处理过程以数据表或图像形式进行静态或动态显示，并能够对破坏判定部确定的力—位移关系曲线图和复式伸缩节破坏判定条件以及判定结果以数据表或图像形式进行静态或动态显示。
77.控制部与两端接管建模部、波纹管和中间管建模部、节点与连接区关系构建部、节点间连接关系构建部、属性赋予部、破坏判定部、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。
78.以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。