带限位装置的复式伸缩节高效建模方法及系统制造方法及图纸

本发明专利技术提供带限位装置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。方法包括：步骤1.建立左端接管和右端接管的有限元模型；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，以两节点为左右端点，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三段，分别赋予相应单元类型；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；步骤4.在节点之间设置点对点连接器二；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力

【技术实现步骤摘要】
带限位装置的复式伸缩节高效建模方法及系统


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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
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1、卡箍6
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2、套箍6
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3、卡圈6
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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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术为了实现上述目的，采用了以下方案：
[0007]<方法>
[0008]本专利技术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：
[0009]步骤1.建立左端接管和右端接管的有限元模型；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]步骤4.在第一节点和第二节点之间设置点对点连接器二；
[0013]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
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相对位移非线性关系曲线。
[0014]优选地，本专利技术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。
[0015]优选地，本专利技术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。
[0016]优选地，本专利技术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。
[0017]优选地，本专利技术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。
[0018]优选地，本专利技术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
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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*(u2‑
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。
[0019]优选地，本专利技术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
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1.提取点对点连接器二的相对位移和受力大小；步骤6
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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
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3.当曲线斜率小于设定的K值时，认为结构发生破坏。
[0020]<装置>
[0021]进一步，本专利技术还提供基于以上<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：
[0022]两端接管建模部，建立左端接管和右端接管的有限元模型；
[0023]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；
[0024]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；
[0025]节点间连接关系构建部，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.建立左端接管和右端接管的有限元模型；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；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；步骤4.在第一节点和第二节点之间设置点对点连接器二；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
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相对位移非线性关系曲线。2.根据权利要求1所述的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，其特征在于：其中，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。3.根据权利要求1所述的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，其特征在于：其中，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。4.根据权利要求1所述的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，其特征在于：其中，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。5.根据权利要求1所述的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，其特征在于：其中，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。6.根据权利要求1所述的带限位装置的复式伸缩节高效建模方法，其特征在于：其中，在步骤5中，为点对点连接器二设置合适的力
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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*(u2‑
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐文韬，石长征，伍鹤皋，傅丹，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：