弧形閘門的有限元分析在液壓缸選型中的應(yīng)用

林利芬，張開會(huì)

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢430000；2.蕪湖市銀鴻液壓件有限公司，安徽 蕪湖241000）

弧形閘門的擋水面為圓柱體的部分弧形面，由于弧形閘門不用設(shè)置門槽，啟閉力學(xué)性能好，作為工作閘門在各種類型的水道中得到廣泛應(yīng)用。鉸接座位于弧形面的下端，啟閉時(shí)閘門繞支承鉸轉(zhuǎn)動(dòng)。弧形閘門由門葉、鉸接座、支撐桿、支撐油缸及液壓系統(tǒng)組成。本文以3m弧形閘門為分析對象，在Femap有限元分析平臺(tái)中，把其整個(gè)啟閉過程添加梯形載荷，分為多個(gè)載荷步進(jìn)行分析，通過后處理提取油缸支撐處的載荷及支撐反力數(shù)據(jù)，為油缸設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。

1 弧形閘門計(jì)算模型建立

采用有限元計(jì)算軟件Femap With NX Nastran建立3m弧形閘門整體計(jì)算模型。下部鉸接座采用MASS單元模擬，鉸接座與鉸接軸連接采用RBE2單元模擬（釋放銷軸方向自由度），其余構(gòu)件采用板單元模擬。上部油缸座及支撐架與弧形閘門的連接，按照固定連接處的節(jié)點(diǎn)處理，弧形閘門的面板、橫筋和縱筋的材料均為Q235B。各支點(diǎn)的邊界條件如表1所示，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 3m弧形閘門計(jì)算模型

表1 3m弧形閘門各支點(diǎn)邊界條件表

說明：Di表示平動(dòng)的自由度，Ri表示轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；“1”表示約束，“0”表示自由，A、B、C、D分別為下部鉸接座的下左支點(diǎn)、下部鉸接座的下右、油缸的上左支點(diǎn)、油缸座的上右支點(diǎn)。

計(jì)算工況說明：表2為3m弧形閘門從開閘最低水位到關(guān)閘最高水位時(shí)，弧形門板從0°靠油缸頂推，沿著下部鉸軸旋轉(zhuǎn)到75°的四個(gè)計(jì)算工況。弧形閘門的自重載荷按照重力加速度修正后處理，水位的高低及在弧形門板上的壓強(qiáng)，按照梯形壓強(qiáng)添加在弧形門板的外表面，水流的沖洗系數(shù)是按照比例關(guān)系添加在梯形壓強(qiáng)上。

表2 臂架的四個(gè)計(jì)算工況

2 弧形閘門的金屬結(jié)構(gòu)分析

3m弧形閘門在關(guān)閘的最高水位下，閘門下部三分之一位置出現(xiàn)最大應(yīng)力，最大綜合應(yīng)力約32MPa，小于容許應(yīng)力159MPa，強(qiáng)度滿足要求。圖2為弧形閘門在最高水位狀態(tài)的整體應(yīng)力分布圖，在最高水位狀態(tài)下，弧形閘門的最大合位移出現(xiàn)在弧形閘門下部的面板上和弧形閘門上部的兩個(gè)尖角處，最大綜合位移約0.46mm。

圖2 最高水位狀態(tài)下整體應(yīng)力分布圖（MPa）

圖3 最高水位狀態(tài)下整體位移圖（mm）

3 弧形閘門的橫向筋骨強(qiáng)度計(jì)算

弧形閘門的橫向筋中，上下兩個(gè)橫向筋為無縫鋼管，中部的四個(gè)橫向筋為焊接的工字型梁，材質(zhì)均為Q235B。經(jīng)過計(jì)算分析，中部支撐位置應(yīng)力較大，最大綜合應(yīng)力約27.5MPa，小于容許應(yīng)力159MPa。圖4為最高水位狀態(tài)下弧形門板的橫向筋應(yīng)力分布圖，最高水位狀態(tài)下，橫向筋的最大位置分布在兩側(cè)，越接近水面，下?lián)显酱螅畲蟮木C合位移約0.46mm。圖5為最高水位狀態(tài)下的橫向筋位移圖。

圖4 最高水位狀態(tài)下橫向筋應(yīng)力分布圖（MPa）

圖5 最高水位狀態(tài)下橫向筋位移圖（mm）

4 弧形閘門的豎向筋骨強(qiáng)度計(jì)算

弧形閘門的六個(gè)豎向筋均為板材焊接的弧形工字梁，材質(zhì)均為Q235B；經(jīng)過計(jì)算分析，中下部應(yīng)力較大，最大綜合應(yīng)力約17.3MPa，小于容許應(yīng)力159MPa，圖6為最高水位狀態(tài)下弧形門板的豎向筋應(yīng)力分布圖；最高水位狀態(tài)下，橫向筋的最大位置分布在兩側(cè)，越接近水面，下?lián)显酱螅畲蟮木C合位移約0.46mm，圖5為最高水位狀態(tài)下的豎向筋位移圖。

圖6 最高水位狀態(tài)下豎向筋應(yīng)力分布圖（MPa）

圖7 最高水位狀態(tài)下豎向筋位移圖（mm）

5 鉸座及油缸支座的支撐反力

支撐油缸的一段與弧形門板之間通過鉸接座連接，另一端與地面的錨固機(jī)構(gòu)聽過鉸接座連接；通過對弧形門板分別回轉(zhuǎn)0°、25°、50°、75°四個(gè)工況進(jìn)行有限元分析，提取每個(gè)狀態(tài)下的支撐反力，得出在最高水位狀態(tài)下，支撐油缸的支撐反力最大，表3為提取的在最高水位狀態(tài)下的油缸鉸接座處的總支反力、沿水流方向的支反力、豎直方向支反力和垂直水流方向的支反力。通過提取的支撐反力，為油缸的選型提供依據(jù)。

表3 各支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果表（N）

6 結(jié)論

本文利用大型有限元分析軟件Femap&NX Nastran對3m弧形閘門在額定載荷下的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出該結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并有較大安全裕度。通過對開閘到關(guān)閘的整個(gè)過程進(jìn)行多載荷步分析，得到油缸支撐反力的變化數(shù)據(jù)，對油缸的設(shè)計(jì)和選型提供設(shè)計(jì)參考。