基于ANSYS軟件的弧形鋼閘門三維有限元分析

冀 芳，李 崗

（1.西安技師學院，西安 712000；2.西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

弧形鋼閘門具有啟閉靈活，操作性好，水流條件好等優點被廣泛應用于泄水建筑物的工作閘門[1]。按照國內現行的行業規范《水電水利工程鋼閘門設計規范》，閘門設計采用平面結構體系的結構力學法，弧形閘門的縱向梁系和面板，可忽略其曲率的影響，近似按直梁和平板進行驗算[2]。這種方法是將弧形閘門簡化分解為單個構件（面板、主梁、水平次梁、垂直次梁、支臂等），然后按平面體系的結構力學對每一部件進行計算。但弧形鋼閘門是個空間結構，外部荷載將由全部結構共同承擔。按照平面體系方法不能準確反映弧形鋼閘門的空間結構真實受力情況，設計出的閘門可能在一些部件上過于保守，而在一些關鍵部位又可能安全裕度不夠，從而造成整個結構的不安全[3]。隨著計算技術和計算機硬件的發展，有限元分析技術在工程技術領域得到越來越廣泛的應用。國內關于弧形鋼閘門有限元計算分析的文獻都是針對具體的工程進行計算。但有限元方法的計算結果與單元型式、網格疏密、荷載類型及邊界約束條件有直接關系。目前還沒有相關判定的標準，本文將基于ANSYS軟件平臺對弧形鋼閘門三維模型建立、網格劃分、邊界約束、荷載類型等進行研究，并應用于具體工程實例，為弧形鋼閘門的三維有限元分析提供依據和參考。

1 有限元模型建立及關鍵技術問題處理

1.1 單元類型選擇及網格劃分

弧形閘門是一個板、梁、柱組合的空間薄壁結構，其結構組成、受力分析比較復雜，模型離散是有限元分析成功的關鍵。模型離散包括單元類型選擇及網格劃分兩部分[4]。

首先單元類型選擇主要考慮弧形鋼閘門各部件的結構特點及傳力方式。這就必須要求對弧形鋼閘門按組成構件進行解剖。典型弧形鋼閘門由門葉結構（包括面板、主橫梁、水平次梁、垂直次梁等構件）、支臂結構（包括支臂、支臂之間的聯接桿件）和支鉸等三大部分組成。弧形鋼閘門各構件單元類型選擇如表1所示。

表1 弧形鋼閘門主要構件有限元單元類型

其次，單元形態對計算結果影響很大。在單元劃分時，應盡量使單元的形狀規則化，各構件在相互連接處保證有共同節點，有良好的變形和受力的協調性，以保證有限元計算結果的正確性。同時單元的尺寸必須足夠小，才能夠反映出結構局部真實的應力和變形結果，這樣計算的誤差才能控制在可接受范圍內。但單元劃分過小，模型數據量會增大，對計算機硬件提出更高要求，增加計算分析難度。對于同一有限元模型，可通過多次單元劃分比較，直至取得理想的計算結果。

1.2 邊界約束處理

根據弧形鋼閘門運行工況及邊界條件，對有限元模型施加邊界約束如表2所示。

表2 弧形鋼閘門有限元模型施加的主要邊界約束

應說明對門葉與底坎接觸部位，在計算啟門瞬間工況時，應保持單元自由狀態；對于門葉吊耳與啟閉機聯接部位，在計算靜態擋水工況時，應保持單元自由狀態。

1.3 計算工況及荷載

按照弧形閘門正常運行及受力情況，應對閘門靜態擋水、啟門瞬間和最大開度三種工況進行計算分析。按照現行設計規范，其分別應考慮的荷載如下：

1）靜態擋水

（1）閘門設計水頭下的水壓力：將閘門實際承受的水壓力按照梯度面荷載施加于門葉面板上游側；

（2）閘門自重（包括加重）：在設置模型材料密度的前提下，設置豎直向下的重力加速度值為閘門所在地區的重力加速度值[5]；

（3）其他荷載（如有）：包括泥沙壓力、波浪壓力、風壓力等，可按照規范計算方法，將計算結果施加于有限元模型相應部位。

2）啟門瞬間

（1）閘門設計水頭下的水壓力；

（2）閘門自重（包括加重）；

（3）其他荷載（如有）：包括泥沙壓力、波浪壓力、風壓力等；

（4） 啟閉力：在閘門處于啟門瞬間工況時，閘門自重、水封摩阻力、支鉸摩阻力、啟閉力對于支鉸中心的力矩處于平衡狀態，此時啟閉力可通過對閘門吊耳處施加垂直和水平向位移約束實現。

3）最大開度

（1）閘門自重（包括加重）；

（2）啟閉力：在閘門處于最大開度時，閘門自重和啟閉力對于支鉸中心的力矩處于平衡狀態。此時啟閉力可通過對閘門施加重力，并對閘門吊耳處施加垂直和水平向的位移約束實現。

2 工程實例及基本參數

2.1 基本參數及結構型式

某電站大壩布置1孔泄洪底孔，其進口設置1扇事故閘門，出口設置1扇弧形工作閘門。弧形工作閘門基本參數如表3所示。

表3 某電站泄洪底孔弧形工作閘門基本參數

該弧形鋼閘門為雙主橫梁直支臂結構，主梁及支臂均為實腹式焊接工字形梁，支鉸采用自潤滑軸套。閘門為單吊點，吊點布置于閘門頂部。側向支承為簡支式側輪。鋼材材料主要為Q345B，型鋼材料為Q235B。止水橡皮材料為SF6674。支鉸的鉸鏈、鉸座材料為ZG310-570。支鉸軸材料為40Cr鍛鋼。

2.2 有限元模型及參數

弧形閘門的結構布置如圖1所示。以水流方向為X軸（向上游為正），重力方向為Y軸（向上為正），支鉸軸的軸向為Z軸(向右為正)建立坐標系。根據設計尺寸建立弧形閘門的三維模型，并按照本文第一節所述方法，對三維模型進行網格劃分和單元類型定義。最終的有限元模型如圖2所示，共劃分為45606個單元及44129個節點。

圖1 弧形鋼閘門門葉總圖

閘門主要材料為Q345B，其材料參數為：密度ρ=7.85g/mm3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2.06×106Mpa，水容重?=10kN/m3。

圖2 弧形鋼閘門有限元網格模型

2.3 計算結果

為簡化篇幅，本文只計算弧形閘門啟門瞬間的工況。按照本文1.2節中表2所述，對模型施加約束，按1.3節對模型施加荷載，包括閘門自重、設計水頭下水壓力、啟門力。對弧形閘門進行靜力分析，得到位移計算結果如圖3所示，應力計算結果如圖4所示。計算結果中應力單位為MPa，位移單位為mm。

從圖3看出，閘門的最大位移為5.1mm，發生于閘門中部的面板區格內。閘門最大應力為135Mpa，發生于上主梁與面板相交處。

圖3 整體位移計算結果

圖4 整體應力計算結果

3 計算結果對比及分析

同時采用規范所述的平面體系方法對該弧形閘門進行了計算，現將兩種方法的主要部件應力計算結果列于表4。

表4 兩種方法應力計算結果對比

1）主橫梁應力

平面體系計算方法沒有充分考慮面板的參與作用。平面體系的主橫梁應力計算結果比三維有限元計算結果偏大。因為面板連同其他水平次梁、垂直次梁形成整體空間結構參與了結構受力，而平面體系方法則將主梁看成單獨作用的結構，雖然按規范選取了面板作用寬度，但不能體系整體受力情況，導致計算結果偏大，從表4可得，偏大約8%。但是對閘門而言是偏安全的。

2）垂直次梁應力

平面體系計算方法的垂直次梁荷載分配偏小，導致其應力計算結果偏小。這是因為平面體系的計算方法將垂直次梁按兩端懸臂的簡支梁計算，分配荷載為兩垂直次梁間距范圍內的水壓力荷載。而實際受力情況是，在支臂與主橫梁連接處對應的垂直次梁較其他垂直次梁受彈性支撐的剛度交大，因而分攤的荷載多，應力也較大，根據表4，有限元方法計算結果偏大18%。

3）支臂應力

支臂是整個弧形鋼閘門中主要的承壓構件，除受軸向壓力外，同時受到橫向框架平面（主橫梁和支臂框架平面）與縱向框架平面（上下支臂框架平面）內的彎矩作用，是偏心受壓構件。而平面體系方法只考慮了橫向框架平面內的彎矩，從而導致計算結果比三維有限元方法計算結果偏小，按表4計算結果，有限元方法結果比平面體系方法偏大28%。大量的工程實踐表明，閘門失事并不是應為支臂強度不夠，而是支臂失穩，發生彎扭引起的。因此支臂計算必須考慮空間結構的受力情況。

4）面板應力

由表4看出，按照現行規范計算得到的面板應力大于有限元計算結果。這是由于平面體系計算方法中采用的是面板區格中心的水壓力強度，且不考慮面板區格周邊梁系分擔了一定的荷載。

4 結束語

1）基于大型有限元分析軟件ANSYS，研究了弧形鋼閘門的三維有限元分析中關鍵技術問題，通過工程實例，驗證了計算模型的正確性和可靠性。

2）對于弧形鋼閘門主梁，現行規范的平面體系計算方法由于未充分考慮面板及相鄰次梁的作用，主梁的應力計算結果偏大，是偏安全的。

3）對于弧形鋼閘門支臂，由于平面體系計算只靠慮了橫向主框架平面內的受力，因此計算結果偏小。因此除進行強度計算外，必須對支臂進行兩個平面內的穩定性校核。

4）對于垂直次梁，按照平面體系計算方法人為將荷載均勻分配，導致支臂處次梁計算應力偏小，而此部位是弧形鋼閘門受力關鍵部位，因此應對支臂處的垂直次梁進行三維有限元應力復核。

5）三維有限單元法雖然真實反映了弧形鋼閘門空間結構受力情況，但由于計算過程較為復雜，對設計人員的有限元計算水平提出了較高要求，且國內沒有相關的技術標準和設計導則可供參考，導致計算結果無法評判和驗證。這是亟待解決的問題。

[1]鄭克紅.高水頭弧形鋼閘門三維有限元分析[D].河海大學,2005,2-4.

[2]SL/74-2013水利水電工程鋼閘門設計規范[S].24-30.

[3]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,2003(6),265-270.

[4]郭光林,蔣桐.大型弧形鋼閘門空間結構計算及分析[J].南京建筑工程學院學報,1999(3),45-50.

[5]張全利.弧形鋼閘門吊點位置的分析研究[D].河海大學,2012,45-46.