基于ANSYS的懸臂式雙向門機結構有限元分析

祁林攀，辛勇軍，趙春龍，高 揚，李 崗

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

基于ANSYS的懸臂式雙向門機結構有限元分析

祁林攀，辛勇軍，趙春龍，高 揚，李 崗

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

水利水電工程中門式啟閉機廣泛應用于進水口、壩頂及尾水平臺閘門和攔污柵的啟閉、檢修及吊運，是保證水利水電工程安全和正常運行的重要設備。啟閉機運行工況復雜，需要考慮不同荷載組合下結構的安全性，懸臂式雙向門機在各類啟閉機設備中更為突出。針對某水電工程進水口雙向門機，論述了設計需考慮的載荷、工況，借助大型有限元計算分析軟件ANSYS通過空間三維結構靜動力計算分析，提出了設計過程中應注意的關鍵問題，對工程設計具有一定的指導意義。

懸臂式；雙向門機；有限元；結構分析

0 引言

啟閉機是一種專門應用于水利水電工程閘門、攔污柵等啟閉和吊運的特殊起重機，其可靠運行對保障工程安全至關重要[1]。移動式啟閉機尤其是雙向門機運行工況復雜，需要考慮不同荷載組合下結構的安全性。門機若發生結構破壞或傾覆失穩，后果十分嚴重。水利水電工程中布置于進水口的雙向門機，由于清污和提柵等要求，常需要在門機上游跨外設置副小車，形成了帶懸臂式的門架結構，其安全問題更為突出。本文以某水電站進水口1600kN/2×200kN雙向門機為例，論述了懸臂式雙向門機設計考慮的載荷及工況，對門架進行三維靜動力特性分析，全面校核分析了結構設計，以保證設備的安全、經濟和可靠。

1 設備參數

某水電站進水口1600kN/2×200kN雙向門機共1臺，主起升小車布置于門機跨內，用于啟閉電站進水口檢修閘門，以及快速閘門及液壓啟閉機的安裝、檢修等，副起升小車用于啟吊進水口攔污柵、清污抓斗以及吊運進水口平臺零星物品。門機主要由主起升小車、副起升小車、門架結構、大車運行機構、機房、機房內電動單梁橋機、門機軌道、夾軌器、阻進器及埋件、防風錨定裝置及埋件、測風儀、避雷裝置、電力拖動和控制設備以及必要的附屬設備組成，構造如圖1所示。

2 荷載工況

主副小車不同時工作。主小車額定起升載荷1600kN，額定運行載荷1000kN，在門機跨內上下游極限位間運行；副小車起升載荷2×200kN，額定運行載荷2×200kN，在門機上游懸壁段上下游極限位間運行。主、副小車架結構按各自起升機構及行走機構要求進行了梁格布置。主、副小車運行機構均設4個車輪，2個主動車輪，2個從動車輪，上部荷載通過小車車輪傳遞至下部門架。門架主要由箱形主梁、端梁、門腿、中橫梁以及行走梁組成，主梁與端梁通過高強螺栓連接為整體組成上部結構，并與門腿進行現場焊接，門腿再與下部行走梁通過高強螺栓連接。大車運行機構共有8個車輪，4臺主動車輪組，4臺從動車輪組，門架底部行走梁與大車運行機構通過高強螺栓連接最終將上部荷載傳遞至軌道。

圖1 某水電站進水口1600kN/2×200kN雙向門機構造圖

圖2 進水口1600kN/2×200kN雙向門機荷載圖

根據《水電水利工程啟閉機設計規范》（DL/ T5167-2002），門架結構按兩類荷載情況進行計算。第Ⅰ類荷載按工作時的最大荷載進行強度、剛度和穩定性計算；第Ⅱ類按非工作時的最大荷載或工作時的特殊荷載進行強度和穩定性的驗算[2]。結構材料采用Q345C，第Ⅱ類荷載許用應力在第Ⅰ類荷載情況下提高15%。進水口1600kN/2×200kN雙向門機運行主副小車不同時工作。計算主小車工況荷載時，僅附加副小車自重荷載和風荷載；計算副小車工況荷載時，僅附加主小車自重荷載和風荷載。主小車工作時的工況如表1所示，副小車工作時的工況如表2所示。

表1 主小車工作時工況

表2 副小車工作時的工況

風荷載按最不利方向施加，主、副小車及起吊閘門迎風面風荷載按集中力施加于門架頂部軌道小車輪壓位置，門架風荷載以均布荷載按照工作狀態計算風壓250N/m2，非工作狀態600N/m2施加于迎風面上，取風荷載體型系數為1.3，風向下游一排門架乘以擋風系數，取平均擋風系數為0.5。按大車運行速度確定行走慣性加速度0.098m/s2，方向平行于軌道，計算慣性力時，慣性加速度引起的小車水平慣性力按集中力施加于小車輪壓處，門架水平慣性力按慣性加速度施加水平方向場速度。重力加速度g=10m/s2，地震加速度取0.096g。考慮模型簡化減少的自重，通過重力加速度g乘以系數k的形式考慮，k值為實際重量與模型重量的比值。

3 模型建立

門架采用ANSYS有限元計算軟件進行三維建模及分析。建模在盡量保持與設計圖紙一致性的前提作一定簡化[4]，如梁系板間高強度螺連接栓和焊接連接統一簡化為剛性連接，建模忽略平臺、欄桿、梯子、車輪和司機室等附屬結構，其重量在施加荷載時統一考慮。

圖3 門架幾何模型

圖4 門架有限元模型

采用統一單位制：mm（長度），kg（質量） ，N（力）， MPa（應力)）。

建模坐標系采用笛卡兒坐標，X軸方向為順水流方向，指向下游。Y軸方向為壩軸向方向，向左岸為正；Z軸方向為重力方向，向上為正。采用殼單元SHELL181來模擬門架的主要構件，181單元適用于薄到中等厚度的殼結構，可以保證計算分析模型與結構原型的整體剛度相一致，單元整體控制為100mm×100mm四邊形網格，局部調整。門架上部小車軌道簡化為梁系，采用beam188梁單元模擬。模型共分為140827個單元，138487個節點，統計得到門架簡化模型重量為136.9t。

門機行走梁與下部車輪行走機構連接部位施加三個方向平移自由度約束。按小車輪壓施加上部荷載，其他荷載按相應工況荷載位置及大小施加。門架結構空間幾何模型及有限元模型如圖3和圖4所示。彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，質量密度ρ=7850kg /m3。

4 計算分析

4.1 靜力分析

1）剛度校核

圖5 工況4整體位移云圖

圖6 工況13整體位移云圖

對于受彎構件，應根據撓度計算結果進行剛度校核[5]。根據規范，門機在跨中的撓度，當工作級別為Q3時，yL≤L/800，其中L為門機的跨度；對于有懸臂的門機，當小車位于懸臂上的有效工作位置時，該處的垂直靜撓度yL≤L/350，其中L為門機的懸臂長度。

通過有限元計算工況1～工況14知，門架在第I類荷載作用下最大撓度發生在工況13，即副小車上游極限位起吊運行荷載，發生在門架上游懸臂處，最大撓度為：fmax=28.0mm＜[f]=L/350=11000/350=31.4mm。門架在第I類荷載作用下，跨內最大撓度發生在工況4，即主小車跨中起吊額定荷載，跨內最大撓度為：fmax=7.6mm＜[f]=L/800=13500/800=16.9mm。該工況門機最大撓度為11.9mm，仍發生在門架上游懸臂處。因此，門架剛度滿足規范要求。

2）強度校核

采用第4強度理論，提取Von Mises應力作為評價結構強度標準，允計應力按規范規定取值。門架在第I類荷載作用下最大應力發生在工況7，即主小車下游極限位置起吊額定荷載，最大應力σ=119.0MPa＜[σ]=230MPa。門架在第II類荷載作用下最大應力發生在工況9，即主小車下游極限位置起吊試驗荷載，最大應力：σ =138.1MPa＜1.15[σ]=264.5MPa，門架在各工況下最大應力滿足規范要求的強度。

圖7 工況7等效應力云圖

圖8 工況9等效應力云圖

3）抗傾覆穩定性校核

通過有限元計算工況15～工況19并提取支座約束處的支反力知，門腿支反力均為正值，因此門架抗傾覆穩定滿足要求。

4.2 模態分析

模態分析是研究結構動力特性一種方法，通過模態分析可以預言結構在外部或內部振源作用下產生的實際振動響應，是結構動態設計及振動故障診斷的重要方法[6]。模態分析主要研究沒有阻尼的自由振動，分析時只須對模型施加零位移約束，本文模態分析計算提取了門架前8階自振頻率，圖9～圖12列出了門架第1～4階振型的變形方式。

表3 門架前8階自振頻率

圖9 第1階振型

圖10 第2階振型

圖11 第3階振型

圖12 第4階振型

門機第1階振型為上下游方向以主梁為主的整體水平振動，可由主、副小車運行的水平制動激勵引起；第2階振型為左右岸方向以主梁上游懸壁端為主的整體水平振動，可由副小車吊物左右岸方向移動時大車運行機構的水平制動激勵引起；第3階振型為左右岸方向以主梁下游端為主的整體水平振動，可由主小車吊物左右岸方向移動時大車運行機構的水平制動激勵引起；第4階振型為門式啟閉機主梁上游懸壁端局部豎直振動，可由副小車垂直吊物制動激勵引起。模態分析結果表明，門機結構由于跨度大，上游懸臂長，結構剛度偏柔，低階振動變形以主梁尤其是上游懸臂端的水平振動變形為主，實際工作過程中應盡量平穩啟、制動，降低振動發生的機率。

5 結論

1）論述了懸臂式雙向門機需要考慮的荷載及工況組合，在盡量反映實際結構的前提下，建立了門架結構的整體殼單元模型，計算校核了門機的剛度、強度和穩定性。

2）靜力分析充分掌握了懸臂式門架結構的應力分布規律，可在滿足啟閉機強度、剛度和穩定性的條件下，優化結構設計，降低應力集中，減輕結構自重。

3）模態分析全面反映了門機在實際運行過程中易發生的振動變形方式。當外部激勵頻率接近各低階自振頻率時，有可能產生較大的振幅，使結構受到損害，運行過程中應避免產生導致有害振型的頻率。

4）模態分析結構表明該門機整體動態剛性偏柔，低階振動變形主要為上部水平振動變形，運行時移動吊物應盡量平穩啟、制動以降低振動。

[1] 付建科,徐亮,李孝民,等.門式啟閉機門架結構有限元分析[J].三峽大學學報（自然科學版）,2012,34(3)：83-86.

[2] 中華人民共和國電力行業標準,水電水利工程啟閉機設計規范DL/T5167-2002[M].北京：中國電力出版社,2003.

[3] 中華人民共和國國家標準,起重機設計規范GB/T3811-2008[M].北京：中國標準出版社,2008.

[4] 胡友安,徐婷,顧曉峰.門式啟閉機門架結構靜、動力學分析[J],華電技術,2012,34(2).

[5] 武琰.水電站雙向門式啟閉機門架結構有限元分析[J].水電工程,2015,9：1025-1026.

[6] 焦美,程文明.隨機地震激勵下門機動態響應及可靠度分析[J].機械設計與制造,2015,11.

Structural fi nite element analysis of cantilever two-direction gantry crane based on ANSYS software

QI Lin-pan, XIN Yong-Jun, ZHAO Chun-Long, GAO Yang, LI Gang

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：1009-0134(2017)05-0084-05

2017-01-22

祁林攀（1987 -），男，甘肅西和人，工程師，碩士研究生，主要從事水工金屬結構設計研究工作。