有限元法在弧形舌瓣門設計中的應用

黃 勇,羅 濤,李 崗,趙春龍

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)04—0090—05

有限元法在弧形舌瓣門設計中的應用

黃 勇,羅 濤,李 崗,趙春龍

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

利用ANSYS計算分析了弧形舌瓣門在啟門瞬間和舌瓣門開啟排漂2種工況下的應力和變形。計算結(jié)果清楚反映出弧形舌瓣門結(jié)構(gòu)的受力特點；在不同工況下，弧形舌瓣門各主要構(gòu)件的強度和剛度均滿足設計要求。從數(shù)值模擬方面為弧形舌瓣門的合理設計提供了重要依據(jù)，同時為類似結(jié)構(gòu)設計提供參考。

有限元法；弧形舌瓣門；應力；變形；ANSYS

0 前 言

弧形舌瓣門是一種用于水利水電工程泄水和排漂的弧形組合閘門，由門葉頂部帶有開口的弧形閘門和鉸接在弧形閘門開口內(nèi)的舌瓣門組成，在弧形閘門關閉擋水的情況下，可通過啟閉舌瓣門排出壩前漂浮物。目前，對于弧形舌瓣門的設計計算，大多數(shù)采用平面結(jié)構(gòu)體系計算方法[1]，將帶開口弧形閘門和舌瓣門作為2個獨立的部分分別計算，其計算結(jié)果無法全面、正確反映出弧形舌瓣門整體的空間受力情況，也無法反映出閘門各個構(gòu)件之間的相互聯(lián)系及變形協(xié)調(diào)關系。水工鋼閘門的有限元法[2-9]，是將閘門作為一個整體的空間結(jié)構(gòu)體系，將整體結(jié)構(gòu)劃分為有限多個、有限大小的單元，單元之間僅靠節(jié)點連接，對每個單元建立節(jié)點平衡方程，然后再將其集合成整個結(jié)構(gòu)的平衡方程組，求出每個節(jié)點的位移，再根據(jù)單元應力和節(jié)點位移之間的關系，推導出整體結(jié)構(gòu)各個節(jié)點處的位移和應力值，能夠充分體現(xiàn)出閘門較強的空間效應。鑒于此，本文基于有限元法基本理論，應用ANSYS三維數(shù)值模擬軟件[10]，對弧形舌瓣門在啟門瞬間及弧門關閉擋水、舌瓣門開啟排漂時的工作性態(tài)進行了計算分析，從數(shù)值模擬方面為弧形舌瓣門的合理設計提供了重要參考依據(jù)。

1 有限元模型構(gòu)建

1.1 閘門結(jié)構(gòu)型式

某水電站溢洪道共2孔，孔口尺寸8 m×15 m(寬×高)，設2扇露頂式弧形舌瓣門。弧形舌瓣門為雙主梁斜支臂球鉸結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，弧門弧面半徑16 m，門葉高度15 m，支鉸中心高度8 m，設計水頭14.5 m，動水啟閉，啟閉設備為2×1 600 kN液壓啟閉機；舌瓣門尺寸4 m×2.98 m(寬×高)，設計水頭3.122 m，啟閉設備為2×250 kN液壓啟閉機。閘門面板支承在由主橫梁、邊梁、縱梁和小橫梁組成的梁格上，面板與梁格直接焊接，支臂與主橫梁采用螺栓連接構(gòu)成主框架；主橫梁、支臂臂桿均為箱型組合梁，縱(邊)梁為T形截面組合梁，小橫梁為槽鋼和工字型鋼。

圖1 弧形舌瓣門結(jié)構(gòu)型式圖 單位：高程，m；其它，mm

1.2 閘門三維實體模型構(gòu)建及單元劃分

弧形舌瓣門是一種典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系，由一系列板、殼、梁、桿等構(gòu)件組合而成。正常工作時，閘門所承受荷載將通過各構(gòu)件的相互傳遞來共同承擔，面板、主橫梁、縱梁、支臂等將發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、軸向拉壓等組合變形。因此，計算模型的選擇必須考慮到各構(gòu)件的幾何性質(zhì)、變形特征和受力方式以及相互作用關系等，以正確反映出閘門的整體作用以及各構(gòu)件的實際工作狀態(tài)。根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)形式和受力特點，將閘門面板、主橫梁、縱梁、邊梁、小橫梁、支臂、支臂間豎桿離散為殼單元中的shell63單元，閘門撐桿、支臂間斜桿、啟閉機液壓桿離散為桿單元中的beam188單元，支鉸簡化離散為實體單元中的solid45單元。據(jù)此建立的弧形舌瓣門有限元模型如圖2所示， 計算模型的節(jié)點總數(shù)為88 464個，單元總數(shù)為106 453個。

1.3 邊界條件設置與加載

露頂式弧形舌瓣門在啟門瞬間即閘門底部剛離開底坎時為弧門最不利工況，舌瓣門開啟排漂時為舌瓣門最不利工況。因此，計算時考慮2種情況，分別為啟門瞬間和舌瓣門開啟排漂(開度85°)。

圖2 弧形舌瓣門三維有限元計算模型圖

(1) 約束處理

工況1：在液壓啟閉機桿頂部施加x、y方向位移約束，在支鉸處施加x、y、z方向位移約束。

工況2：在底緣處施加y方向位移約束，在支鉸處施加x、y、z方向位移約束。

坐標系定義為x軸沿水流方向，y軸沿鉛直方向，z軸沿主橫梁軸向。

(2) 計算荷載。主要考慮閘門的靜水壓力和自重，以及啟門瞬間閘門側(cè)邊和支鉸處的摩擦力，其中靜水壓力取設計水頭14.5 m。

(3) 結(jié)構(gòu)尺寸與材料特性。各構(gòu)件的外形尺寸及厚度均按初步設計圖紙取用。閘門構(gòu)件材料選用Q345C和Q235B，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

2 有限元計算結(jié)果與分析

2.1 弧門計算結(jié)果與分析

在弧形舌瓣門啟門瞬間，弧門受力最大，舌瓣門受力相對較小，在此工況下僅對弧門計算結(jié)果進行提取并分析。

其中，縱梁(包括邊梁)從左至右依次編號為1～6號，小橫梁(包括頂、底梁)自上向下依次編號為1～18號。

2.1.1 弧門應力計算結(jié)果與分析

弧門總體折算應力計算結(jié)果如圖3所示，最大折算應力為140.4 MPa。

圖3 弧門總體折算應力計算云圖

(1) 面板。面板最大折算應力為103 MPa，出現(xiàn)在面板與15、16號小橫梁之間的3、4號縱梁連接處，最大折算應力小于容許應力(265 MPa)。面板應力自上而下逐漸增大的現(xiàn)象主要是由于受水壓作用，整個面板強度滿足要求。

(2) 主橫梁。主橫梁主要作用是傳遞面板傳來的水壓力，增加門體的橫向抗彎和抗扭剛度。主橫梁由前翼緣(與面板相貼)、腹板、后翼緣組成；腹板的主要作用是抗彎抗剪，后翼緣主要是抗彎。主橫梁應力計算結(jié)果如圖4、5所示，其中，最大剪切應力為51.8 MPa，出現(xiàn)在下主橫梁與支臂連接處內(nèi)側(cè)腹板區(qū)域，主橫梁沿腹板軸線方向最大剪切應力小于容許應力(108 MPa)；最大折算應力為140.4 MPa，出現(xiàn)在下主橫梁與支臂連接處內(nèi)側(cè)腹板區(qū)域，主橫梁沿腹板軸線方向最大折算應力小于容許應力(265 MPa)。主橫梁計算結(jié)果滿足強度要求。

圖4 主橫梁剪切應力計算云圖

圖5 主橫梁折算應力計算云圖

(3) 縱梁(含邊梁)。縱梁是將面板與主橫梁的水壓力傳遞給支臂，它同橫梁一起形成縱橫交錯的門體梁格，有利于提高門體的整體強度。縱梁應力計算結(jié)果如圖6、7所示，其中，最大剪切應力為61.2 MPa，最大折算應力為113.1 MPa，均出現(xiàn)于2、5號縱梁后翼緣與上主橫梁連接處區(qū)域。縱梁沿腹板軸線方向最大剪切應力和最大折算應力均小于容許應力(108和265 MPa)。縱梁計算結(jié)果滿足強度要求。

(4) 支臂。支臂有2個主平面，一個主平面在主橫梁和支臂框架平面內(nèi)，稱之為主框架平面；另一主平面在上下支臂框架平面內(nèi)。支臂在兩個平面內(nèi)均受彎矩、軸力作用，為偏心受壓桿。支臂最大軸向應力為94.2 MPa，出現(xiàn)在上支臂腹板靠近支鉸區(qū)域；最大折算應力為138.2 MPa，出現(xiàn)在上支臂腹板靠近上主梁后翼緣區(qū)域。支臂最大應力均小于容許應力(265 MPa)，滿足強度要求。

圖6 縱梁剪切應力計算云圖

圖7 縱梁折算應力計算云圖

2.1.2 弧門變形計算結(jié)果與分析

對于受彎構(gòu)件，應根據(jù)撓度計算結(jié)果進行剛度校核。根據(jù)SL74-2013《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》規(guī)定，對于露頂式工作閘門，主橫梁的最大撓度與計算跨度的比值不應超過1/600。閘門主橫梁跨度為5 100 mm，其容許出現(xiàn)的最大撓度為8.5 mm。

由計算結(jié)果可知：主橫梁的最大撓度計算值為7.8 mm，小于主橫梁撓度的容許值(8.5 mm)。閘門主橫梁滿足剛度要求。

2.2 舌瓣門計算結(jié)果與分析

在弧門關閉擋水、舌瓣門開啟排漂時(開度85°)，舌瓣門受力最大，弧門受力相對較小，在此工況下僅對舌瓣門計算結(jié)果進行提取并分析。

2.2.1 舌瓣門應力計算結(jié)果與分析

舌瓣門最大折算應力計算結(jié)果如圖8所示，最大折算應力為140 MPa。

圖8 舌瓣門折算應力計算云圖

(1) 面板。面板最大折算應力為48.7 MPa，出現(xiàn)在面板頂端與2、3號縱梁連接處，最大折算應力小于容許應力(265 MPa)。 整個面板強度滿足要求。

圖9 主橫梁剪切應力計算云圖

(2) 主橫梁。 主橫梁應力計算結(jié)果如圖9、10所示，其中，最大剪切應力為39.8 MPa，出現(xiàn)在下主橫梁后翼緣與縱梁連接處區(qū)域，主橫梁沿腹板軸線方向最大剪切應力小于容許應力(108 MPa)；最大折算應力為109.9 MPa，出現(xiàn)在上主橫梁后翼緣與邊梁連接處區(qū)域，主橫梁沿腹板軸線方向最大折算應力小于容許應力(265 MPa)。主橫梁計算結(jié)果滿足強度要求。

(3) 縱梁(含邊梁)。縱梁應力計算結(jié)果如圖11、12所示，其中，最大剪切應力為40 MPa，最大折算應力為190 MPa，均出現(xiàn)于邊梁后翼緣與上主橫梁連接處區(qū)域。縱梁沿腹板軸線方向最大剪切應力和最大折算應力均小于容許應力(108和265 MPa)。縱梁計算結(jié)果滿足強度要求。

圖10 主橫梁折算應力計算云圖

圖11 縱梁剪切應力計算云圖

圖12 縱梁折算應力計算云圖

2.2.2 舌瓣門變形計算結(jié)果與分析

對于受彎構(gòu)件，應根據(jù)撓度計算結(jié)果進行剛度校核。根據(jù)SL74-2013《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》規(guī)定，對于露頂式工作閘門，主橫梁的最大撓度與計算跨度的比值不應超過1/600。舌瓣門主橫梁跨度為1 700 mm，其容許出現(xiàn)的最大撓度為2.8 mm。

由計算結(jié)果可知：主橫梁的最大撓度計算值為1 mm，小于主橫梁撓度的容許值(2.8 mm)。閘門主橫梁滿足剛度要求。

3 結(jié) 語

(1) 弧形舌瓣門三維有限元計算分析結(jié)果表明，弧門最大應力部位為：面板出現(xiàn)在與15、16號小橫梁之間的3、4號縱梁連接處；主橫梁出現(xiàn)在與支臂連接處內(nèi)側(cè)腹板區(qū)域；縱梁出現(xiàn)在2、5號縱梁后翼緣與上主橫梁連接處區(qū)域；支臂出現(xiàn)在上支臂腹板靠近主梁后翼緣區(qū)域。舌瓣門最大應力部位為：面板出現(xiàn)在與2、3號縱梁連接處的頂部區(qū)域，主橫梁出現(xiàn)在后翼緣與縱梁連接處區(qū)域，縱梁出現(xiàn)在邊梁后翼緣與上主橫梁連接處區(qū)域。弧形舌瓣門應力分布規(guī)律符合其結(jié)構(gòu)受力特點。在極限工況下，弧形舌瓣門主要構(gòu)件的強度和剛度均滿足設計要求。

(2) 三維有限元計算分析方法是解決空間復雜結(jié)構(gòu)的主要手段，通過對弧形舌瓣門建立有限元仿真分析模型，設置邊界條件并進行求解，可以得到閘門在不同運行工況下的應力分布及變形情況，從而得知閘門承受最大應力和發(fā)生最大變形的部位，為閘門合理設計提供參考。

[1] 本書編寫組.水電站機電設計手冊:金屬結(jié)構(gòu)(一)[M].北京：水利電力出版社,1986.

[2] 王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社,2003.

[3] 胡友安,王孟.水工鋼閘門數(shù)值模擬與工程實踐[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

[4] 鄭克紅.高水頭弧形閘門三維有限元分析[D].南京：河海大學,2005.

[5] 謝智雄,周建方.大型弧形閘門靜力特性有限元分析[J].水利電力機械,2006,28(4)：21-24.

[6] 古華,嚴根華.水工閘門流固耦合自振特性數(shù)值分析[J].振動、測試與診斷,2008,28(3): 242-246.

[7] 謝小玲,蘇海東.三峽導流底孔弧形鋼閘門結(jié)構(gòu)應力有限元分析[J].長江科學院院報,2003,(6)：28-30.

[8] 李文娟,沈煒良,馬兆敏.弧形鋼閘門三維有限元分析[J].山東大學學報(工學版),2003,(3)：17-24.

[9] 黃勇,楊光明,賈文斌.弧形閘門排水孔對其工作性態(tài)的研究分析[J].人民黃河,2013,35(8)：106-108.

[10] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[D].北京：人民交通出版社,2007.

Application of Finite Element Method in Design of Radial Flap Gate

HUANG Yong, LUO Tao, LI Gang, ZHAO Chun-long

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

Stress and deformation of the radial flap gate under the two conditions of the gate being opened transiently and the gate being opened for floats are calculated and analyzed by application of ANSYS. The calculation results clearly present the acting characteristics of the radial flap gate. Under the different operating conditions, both strength and rigidity of main components of the radial flap gate satisfy design requirements. In term of the value analog, this study provides the reasonable deign of the radial flap gate with important basis as well as the similar structural design with reference.Key words:finite element; radial flap gate; stress; deformation; ANSYS

2015-01-19

黃勇(1988- )，男，陜西省洋縣人，助理工程師，從事金屬結(jié)構(gòu)設計工作.

TV663+.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.023