潛孔弧形閘門靜力有限元分析結(jié)果對(duì)平面體系計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證

郭 忠 武，　羅 成 英，　賀 開(kāi) 宇

(1.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都　610072；2.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都　610072)

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潛孔弧形閘門靜力有限元分析結(jié)果對(duì)平面體系計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證

郭 忠 武1，羅 成 英1，賀 開(kāi) 宇2

(1.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都610072；2.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都610072)

摘要：目前，對(duì)于弧形鋼閘門剛度、強(qiáng)度校核基本上是按照常規(guī)的平面體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果不能有效反映閘門的空間效應(yīng)。對(duì)于空間效應(yīng)較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的大型水工鋼閘門，宜用空間有限元復(fù)核計(jì)算結(jié)構(gòu)。介紹了利用ANSYSY軟件對(duì)某電站泄洪閘弧形閘門進(jìn)行的三維有限元分析。從結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度兩個(gè)方面，對(duì)在最大水壓力作用下閘門的安全性進(jìn)行了分析，得出了一些有益結(jié)論并用于指導(dǎo)某電站的閘門設(shè)計(jì)。對(duì)初學(xué)三維設(shè)計(jì)者具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：弧形閘門；有限元；剛度；強(qiáng)度

1概述

某水電站正常蓄水位以下水庫(kù)庫(kù)容為173.85萬(wàn)m3，日調(diào)節(jié)庫(kù)容為110.89萬(wàn)m3，引用流量為161.8 m3/s，裝機(jī)容量為3×38 MW，單獨(dú)運(yùn)行多年平均年發(fā)電量為4.773億kW·h。最大閘(壩)高27.5 m，泄洪閘段寬23.5 m，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)35 m，設(shè)置三孔水頭為22.5 m，孔口尺寸為8 m×10.5 m (寬×高)的潛孔弧形工作閘門，該閘門的主要功能是在正常水位下閉門擋水，汛期開(kāi)閘泄洪并可局部開(kāi)啟調(diào)節(jié)流量。該泄洪閘弧形閘門橫向設(shè)置2根主橫梁，14根次橫梁，縱向設(shè)置7根縱梁，橫、縱向梁均與弧形面板相焊接。主橫梁采用箱型梁結(jié)構(gòu)，次橫梁由工字鋼或槽鋼構(gòu)成，兩邊支臂為A形箱型斜支臂。閘門結(jié)構(gòu)采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，操作條件為全水頭動(dòng)水啟閉。目前對(duì)于水工鋼閘門的設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范的方法是將其簡(jiǎn)化分解為若干基本部件，再按平面體系對(duì)每一部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[1]。然而，閘門結(jié)構(gòu)是由一套復(fù)雜的空間薄壁板材結(jié)構(gòu)單元組成，按平面體系計(jì)算與實(shí)際空間結(jié)構(gòu)畢竟存在差異，而按空間結(jié)構(gòu)分析更接近實(shí)際受力工況，故筆者采用三維有限元進(jìn)行校核。

2閘門有限元建模

2.1有限元分析軟件

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及有限元理論的日益完善,出現(xiàn)了許多有限元計(jì)算軟件,并在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。筆者選用了較為著名、使用方便、功能強(qiáng)大的ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2模型的建立

弧形閘門是一個(gè)空間薄壁結(jié)構(gòu),從其組成看,包括面板、梁格和支臂等部件。有限元建模時(shí)采用部分空間薄壁結(jié)構(gòu)模型，該模型未對(duì)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)多的簡(jiǎn)化，保留了原來(lái)問(wèn)題的復(fù)雜性。該模型在建模時(shí)，將單元類型分為2種，將構(gòu)成閘門結(jié)構(gòu)的所有板件,包括面板、主梁、豎直次梁、邊梁及支臂的腹板和翼緣等均采用板單元模擬，而對(duì)于水平次梁、底梁及支臂斜撐采用梁?jiǎn)卧９P者分析的板單元采用shell63，梁?jiǎn)卧捎胋eam188，經(jīng)過(guò)ansys有限元網(wǎng)格劃分。該閘門結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖1。

2.3邊界約束條件

閘門關(guān)閉擋水時(shí)，閘門底緣采取豎直向連桿約束；作用在閘門面板上的水壓力等效為各板單元上的節(jié)點(diǎn)載荷處理，利用ANSYS中的SFGRAD命令來(lái)模擬水壓力在閘門面板中沿水深方向的梯度[2]；閘門在承受靜水壓力過(guò)程中，兩側(cè)水封存在摩擦力，一旦穩(wěn)定下來(lái)，可以忽略摩擦力的作用；支鉸有6個(gè)自由度，約束除繞Z軸旋轉(zhuǎn)以外的所有自由度。

2.4計(jì)算采用的基本資料

(1)計(jì)算參數(shù)。

圖1　閘門整體有限元網(wǎng)格模型圖

Q345B鋼材彈性模量取210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

(2)計(jì)算荷載。

計(jì)算荷載主要為：自重、水壓力。

3計(jì)算結(jié)果分析

筆者主要關(guān)心閘門的剛度及強(qiáng)度，以下從整體到局部逐節(jié)進(jìn)行分析。

3.1閘門的變形分析及剛度校核

分析閘門各節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果得知：閘門門體以徑向變形為主，其余兩個(gè)方向變形較小。閘門的最大變形出現(xiàn)在門葉中下部，向上和向下逐漸變小。從分析閘門整體變形可以看出，閘門穩(wěn)定后兩端徑向變形約為4 mm，面板最大變形為10 mm，即閘門中部最大擾度為6 mm。閘門整體變形情況見(jiàn)圖2。

對(duì)于單個(gè)構(gòu)件，邊梁的變形相對(duì)于中部縱梁變形較小。次橫梁由于受主縱梁的限制，變形亦較小。

閘門面板是整個(gè)閘門中變形最大的部件，這是由于面板面積較大，相對(duì)而言，其剛度較小。最大變形發(fā)生在閘門中部梁格中部，最大變形為5 mm，滿足規(guī)范要求。在閘門的實(shí)際受力過(guò)程中，水壓力是通過(guò)面板將水壓力傳遞給主縱梁、次梁，再通過(guò)主梁傳遞到支臂，最后由支臂傳到閘墩。支臂是閘門所有構(gòu)件中最長(zhǎng)的構(gòu)件，通過(guò)分析得知，支臂的徑向彈性變形達(dá)到4 mm，垂直向變形為2 mm，Z向變形為0.7 mm，支臂整體變形不大，布置合理，不存在安全隱患。

圖2　閘門整體變形圖

3.2閘門的應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核

從閘門整體應(yīng)力分布云圖上看,最大應(yīng)力發(fā)生在主橫梁和支臂柱頭結(jié)合處的主橫梁腹板上,具有局部性(圖3)。因此，設(shè)計(jì)上可采取措施減小應(yīng)力集中,以使閘門整體應(yīng)力分布更趨合理。

圖3　閘門整體應(yīng)力分布云圖

該閘門共有2根主橫梁，14根次橫梁。次橫梁沿面板均勻分布，承受從閘門面板傳來(lái)的水壓力，基本上起過(guò)渡作用，防止面板變形過(guò)大，將擋水面板傳來(lái)的力傳到主橫梁和縱梁。通過(guò)比較，橫梁上的最大應(yīng)力值小于橫梁鋼材要求的許用應(yīng)力值。

閘門共設(shè)7根縱梁，包括2根邊梁，5根主縱梁。兩邊梁相對(duì)于主縱梁受力較小，主縱梁與主橫梁連接位置應(yīng)力較大。通過(guò)比較，縱梁所受水壓力不超過(guò)相應(yīng)的許用應(yīng)力值。

支臂方面，該閘門采用了雙A型支臂，支臂與主橫梁及主縱梁焊接在一起，閘門開(kāi)啟時(shí)，隨閘門一起繞支臂支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，最大應(yīng)力位于與主、縱梁接觸處。其它部位應(yīng)力較小，其最大應(yīng)力也滿足許用應(yīng)力要求。

圖4　閘門面板梁應(yīng)力效果圖

閘門面板由厚度為20 mm的鋼板焊接而成，它將水壓力傳給各橫、縱梁。就閘門整體而言，關(guān)鍵的受力部位在各梁和支臂上。但是，閘門面板是最直接的受力件，如其厚度不夠，很容易出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，閘門鋼板具有很好的韌性，可以經(jīng)受較大的擾度變形。面板只要滿足厚度條件，各梁間距布置合理，其強(qiáng)度條件容易符合要求。閘門面板應(yīng)力效果見(jiàn)圖4。

4結(jié)語(yǔ)

利用ANSYS對(duì)閘門剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析可以看出：在正常設(shè)計(jì)要求下，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出閘門設(shè)計(jì)的梁系布置和擬定的截面尺寸是合理的。對(duì)比常規(guī)的平面體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，雖然也能滿足工程建設(shè)需要，但如果閘門比較復(fù)雜且水壓力較大，而且其位置比較重要，采用筆者闡述的方法，即采用通用軟件ANSYS對(duì)梁、板單元進(jìn)行剛度、強(qiáng)度復(fù)核，建模簡(jiǎn)單、分析快捷，計(jì)算成果對(duì)設(shè)計(jì)和施工具有較大的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]SL74-2013，水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 張勝明.基于有限元軟件ANSYS7.0的結(jié)構(gòu)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

郭忠武(1981-)，男，山西朔州人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；

羅成英(1981-)，女，四川成都人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；

賀開(kāi)宇(1982-)，男，重慶銅梁人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

作者簡(jiǎn)介:

收稿日期:2015-07-18

文章編號(hào):1001-2184(2016)01-0089-03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7;TV735;TV22