Creo在煤矿井筒管路设计中的应用

赵宗华

（中煤第一建设有限公司，河北 邯郸 056000）

近年来，在国家和地方相关机构有力推动下，BIM技术在国内发展迅速，煤炭行业也在设计、施工、运营等各环节积极推广BIM技术。目前，还尚未出现一款可以直接应用在煤矿各环节的BIM软件，尤其对于各种结构复杂的生产设备BIM模型，仍需借助诸如Creo、Solidworks、Inventor等机械行业三维设计软件。Creo是美国PTC公司推出的三维设计软件，具有参数化设计、基于特征建模、单一数据库（全相关）的特点，具有二维制图、三维建模、整体装配和有限元分析等功能。同时，Creo建立的三维模型可导入Revit、ArchInCAD等BIM软件。在目前软件平台欠缺的情况下，机械专业设计人员可以借助Creo的强大功能开展三维设计工作。

在设计井筒管路时，应设置防弯装置及托管装置。防弯装置一般借助梯子间主梁或管道梁，并设置导向装置，其作用是保持管路纵向稳定；托管装置由焊接直管座及各支承梁组成，用以承受作用于管路上的各项荷载。

1 管路荷载分析

煤矿生产常用管路主要有排水管路、压缩空气管路、注氮管路、消防洒水管路和黄泥灌浆管路，其中以排水管路的受力情况最为复杂，本文以排水管路为例对管路荷载情况进行分析。

管路支承梁承受荷载主要包括：永久荷载、可变荷载和偶然荷载。永久荷载主要是各管路、管件、法兰及各种连接件的自重，实际计算时可取分段管路自重的1.3倍。可变荷载包括水柱重力和温度力。计算水柱力时，一般认为水柱重力全部作用于最底层的支承梁，其余层位可取全部水柱重力的一定比例。温度力是由于环境温度变化，管路不能自由伸缩引起的，计算时温差应参考管路安装地点环境温度变化确定。若在管路上安装管路伸缩器时，温度力可忽略不计，但现有管路伸缩器承受压力较小，密封性能较差，在压力较小的气体传输管路上应用较多，对于压力较大、受力复杂的排水管路，应用较少。偶然荷载主要是直接水锤力，水锤力的产生机理及过程比较复杂，虽然可通过在水泵出口安装微阻缓闭止回阀在一定程度上缓解水锤作用，但为保证管道安全，计算受力时，认为直接水锤力全部作用于最底层的支承梁，其余层位可取水锤力的一定比例。

计算各分项荷载后，将各荷载进行基本组合和偶然组合计算，取两者较大值，再根据矿井服务年限取结构重要性系数，得到结构构件承载力设计值。

图1为设计的国投哈密大南湖七号煤矿进风立井井筒管路布置平面图。井筒深度226m，布置1趟D219×6注氮管路、1趟D325×8压缩空气管路和2趟D325×10主排水管路。

图1 井筒管路布置平面图

考虑井筒深度较浅，且新疆地区温差较大，温度力在各管路受力中占比较大，仅在井筒与管子道开口上部5m处设置一托管装置，此时管路一端可自由伸缩，不再考虑温度力的影响。在确保管路安装稳定可靠的情况下，避免安装管路伸缩器，减少托管装置数量，减小管路荷载，技术可靠，经济合理。

经计算各管路荷载情况如表1所示。

表1 各管路荷载汇总表 单位：kN

2 建立三维模型

2.1 防弯装置

防弯装置承受荷载较小，可利用梯子间主梁，导向装置采用钢带结构形式，具有调节灵活、稳定可靠、使用时间长、不易损坏等特点。导向装置三维模型如图2所示。

2.2 托管装置

根据管路受力情况，对托管装置的各焊接直管座和支承梁进行初步估算。各支承梁采用焊接型钢，材质选择Q345B，各梁断面尺寸见表2。初步确定各部件尺寸后，在Creo中建立各安装构件三维模型，并在Creo中进行装配。托管装置如图3所示。

表2 各支承梁断面尺寸汇总表 单位：mm

图2 导向装置三维模型

图3 托管装置

3 有限元分析

Creo具有静态、动态结构分析功能，本文仅以井筒排水管路的焊接直管座及托管大梁的有限元分析为例，对Creo的有限元分析方法及流程加以说明。

3.1 焊接直管座

由“零件”模式下的三维模型界面“应用程序—Simulation”菜单进入有限元分析模式。

（1）分配材料

对焊接直管座各部分设置材料属性，其中无缝钢管采用20#钢，其余部分采用Q345B。

（2）施加荷载

焊接直管座承受荷载主要为管路重力、水柱压力及水锤力。管路重力（永久荷载263.7kN）以“力/力矩”形式施加于焊接直管座管路顶部；水柱压力（可变荷载181kN）以“压力”形式施加于焊接直管座管路内壁；水锤力（偶然荷载169.4kN）以“力/力矩”形式施加于焊接直管座管路底部。

（3）设置约束

选取焊接直管座底板底面，设置为固定约束。

（4）分析研究

建立静态分析，焊接直管座应力云图及位移云图如图4所示。由图可知，焊接直管座最大应力为114.17MPa，位于无缝钢管与底板焊接处；最大位移为0.148mm，位于焊接直管座顶部。由此可知，焊接直管座满足设计要求。

图4 焊接直管座应力及位移云图

3.2 托管大梁

对于托管大梁的有限元分析，可采用Creo“精细模型—梁”进行分析。此种分析方法是将梁进行理想化处理，避免了由圆孔及焊接引起的应力集中现象的发生。

（1）建立模型

在“零件”模式下绘制与梁等长度的直线，进入有限元分析模式，根据梁实际受力情况，在直线上根据托管大梁支承及受力位置创建基准点。选取直线，对梁断面进行设置。

（2）分配材料

大梁材质为Q345B。

（3）施加荷载

选取创建的各基准点，设置荷载，方向为Y轴负向。

（4）设置约束

分别选取梁两端点，一端设置为活动铰支座，一端设置为固定铰支座。

（5）分析研究

建立静态分析，大梁应力及位移曲线见图5。大梁最大应力为160MPa，最大位移为8.43mm。由此可知，托管大梁满足设计要求。

4 结论

本文以笔者设计的国投哈密大南湖七号煤矿进风立井井筒管路为例，对井筒管路受力情况进行分析，利用Creo软件对井筒管路防弯装置和托管装置进行三维建模及有限元分析，分析结果表明设计经济合理、安全可靠。以此简要说明Creo软件在煤炭行业三维设计中的应用，对煤炭行业BIM设计的发展具有一定借鉴意义。

图5 托管大梁应力及位移曲线