基于ANSYS的弧形閘門三維有限元分析

摘 要：弧形閘門在水利工程中廣泛應用，但因其結構、邊界條件等均比較復雜，仍未形成比較成熟的設計理論。結合工程實例，基于ANSYS軟件對潛孔式弧形閘門進行數值模擬，通過計算弧形閘門在不同工況下的支鉸反力、變形、應力以及屈曲失穩情況，分析各個主要構件變形和應力分布規律，對結構的設計和優化提出建議。結果表明：弧形閘門整體剛度、強度和穩定性滿足要求，下支臂和門體連接處應力偏大，應進行加固或優化。

關鍵詞：弧形閘門；有限元；ANSYS；屈曲分析

中圖分類號：TV663 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0026-04

Three Dimensional Finite Element Analysis of Radial Gate

Based on ANSYS Software

WANG Xusheng1 SUN Liuying2 ZHANG Peng2

（1.College of Civil Engineering and Communication，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045；2.Yellow River Engineering Consulting Co. Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： Radial gates are widely used in the hydraulic engineering. However， a relatively mature theory has not formed for the complicated structural features， boundary conditions， etc. Combined with the relevant engineering case， the submerged radial gate was numerically simulated based on the ANSYS software. The characteristics of radial gate such as reaction， stress， deformation and stability were analyzed and compared under different control conditions. The results showed that the overall stiffness， strength and stability of the gate meet the requirements， but the stress concentration is obvious at the joint of the lower arm and the door body， where the phenomenon should be strengthened.

Keywords： radial gate；finite element method；ANSYS；buckling analysis

弧形閘門被廣泛應用于水利工程中，是關系水利工程安全運行的重要結構[1]。根據布設的位置，閘門分為露頂式閘門和潛孔式閘門[2]。由于弧形閘門復雜的結構特性、水流條件及邊界條件等，仍未形成比較成熟的設計理論[3，4]。目前，閘門設計主要依據規范，使用平面計算的方法，未充分考慮結構空間作用，不能真實反映閘門的受力特性[5，6]。因此，對潛孔式弧形閘門進行深入研究尤為重要。隨著計算機技術的提高，有限單元法在數值模擬中得到了廣泛應用，計算結果準確且適應于各種復雜的結構體系。本文采用有限元法，以某工程潛孔弧形閘門為例，應用ANSYS軟件建立了符合實際的三維有限元模型，計算了弧形閘門在不同工況下的支鉸反力、變形和應力，校核閘門設計是否滿足規范要求；分析了各個主要構件的變形和應力分布規律，為優化閘門的結構設計提供了理論依據；通過線性屈曲分析，得出閘門的失穩荷載和屈曲模態。

1 有限元模型

1.1 閘門總體布置

某Ⅱ等大（二）型水電工程，設計洪水水位2 628.0m，校核洪水位2 628.7m。設置泄洪底孔1個，工作閘門采用弧形鋼閘門，工作閘門孔口尺寸為5m×6m，弧面半徑11m，底坎高程2 550m，支鉸高度7m，閘門設計水頭78m，屬于潛孔式高水頭閘門。為提高閘門剛度，門體為主縱梁結構，支臂采用箱型斷面，并增加橫向連接系。啟閉機采用液壓啟閉機，布置在閘門頂部，可動水啟閉閘門。

1.2 建立有限元模型

弧形閘門主體結構由支鉸、支臂、門體、吊耳等部分組成，其中門體分為面板和梁格。梁格由橫梁、縱梁共同構成，其中橫梁3根（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），縱梁7根（1-7），如圖1所示。

建立符合結構特征的計算模型，是有限元分析的基礎。閘門是一個復雜的空間薄壁結構，目前，針對弧形閘門的有限元計算模型大致分為三類：板梁結構、部分空間薄壁結構和完整空間薄壁結構[7]。為保留結構本身的特征，本文采用第三種方法對空間結構進行簡化，建立有限元計算模型。

單元選擇和網格劃分是模型離散化的重要過程，決定了計算的規模和結果準確性。支鉸和吊耳空間三維特征明顯，使用實體單元SOLID187模擬；支臂和門體為薄壁結構，使用三維殼單元SHELL181模擬。網格以四邊形或六面體為主的方法進行劃分，生成的有限元模型共有節點266 705個，單元199 935個，如圖2所示。

1.3 材料參數

閘門主要構件的材料為Q345C鋼，其彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.28，密度取7 850kg/m3。

1.4 計算工況

根據實際運行情況，主要計算弧形閘門的2種工況，分別為靜態擋水和瞬間開啟。由于閘門處于少震區，且泥沙少，忽略地震作用和泥沙壓力的影響，主要考慮靜水壓力和自重對弧形閘門的作用。載荷簡化：依據校核洪水位，面板上水平施加線性水壓力；考慮閘門的自重，整個模型施加豎向慣性載荷9.8m/s2。

靜態擋水是閘門在關閉時的正常運行情況。約束簡化：門體底部約束豎向位移為0；支鉸圓孔約束軸向、徑向的位移為0；由于啟閉桿此時對閘門的約束較弱，不考慮吊耳處的約束；門體側面滑塊處約束法向位移。瞬間開啟是閘門在瞬間開啟時的運行情況。約束簡化：吊耳圓孔約束軸向、徑向的位移為0；支鉸圓孔約束軸向、徑向的位移為0；門體側面滑塊處約束法向位移。

2 計算結果及分析

2.1 支鉸反力

靜態擋水時，支鉸反力為23 003kN，指向面板；瞬間開啟時，支鉸反力為22 030kN，指向面板。瞬間開啟時，吊耳約束了閘門的豎向變形，承擔了部分荷載，因此，支鉸反力略小于靜態擋水時的支鉸反力。

2.2 工況對比

閘門采用Q345C鋼，適用于von-Mises準則。提取兩種工況下變形和von-Mises應力結果，閘門的變形和受力情況符合基本規律。對比兩種工況，如表1所示，兩種工況下的變形相差較小，但閘門在瞬間開啟時應力較大，大于靜態擋水時3.69%。瞬間開啟是閘門工作的不利工況，變形、應力結果如圖3、圖4所示。

2.3 變形結果

在瞬間開啟工況下，閘門由于兩側約束的限制，整體變形以徑向收縮變形為主。最大變形發生在面板下部區格中心為5.375mm，徑向變形為4.811mm。閘門的總體變形較小，空間結構布置合理，符合規范要求。

面板為薄壁結構且直接承壓，各區格內由于沒有支撐，沿徑向向內凹陷較大，最大相對向內凹陷0.68mm。橫梁和縱梁共同組成梁格，承擔面板上的荷載并傳遞給支臂。橫梁以彎曲變形為主，跨中位置撓度最大。以橫梁位置為X軸，從對稱面到端面，以其徑向變形值為Y軸，繪制變形圖，如圖5所示。因水壓力線性作用在門體上，位于下部的橫梁Ⅲ承受較大的荷載作用，變形較大。橫梁Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ最大撓度分別為0.388mm、0.617mm和0.757mm，小于規范容許值。瞬間開啟時，門體底端處于自由狀態不受約束，縱梁底端變形較大。以縱梁位置為X軸，從弧頂到弧底，以其徑向變形值為Y軸，繪制變形圖，如圖6所示。隨著深度的增加，縱梁的變形呈不斷增大的趨勢，在布設橫梁的位置，變形增長速率略有降低。最大變形發生在縱梁1的下端，為4.2mm，小于規范容許值。支臂是箱型鋼梁，以軸向收縮變形為主。下支臂的變形大于上支臂，上、下支臂軸向最大變形值分別為1.78mm和3.14mm。

2.4 應力結果

在瞬間開啟工況下，閘門的最大等效應力在下支臂與門體的連接處為184.27MPa，小于規范容許值，且有一定的安全儲備，符合規范設計要求。

面板的最大等效應力為136.63MPa，在縱梁1與面板下部連接處。因縱梁1的厚度較大且處于對稱位置，對面板的支撐作用較強。橫梁的最大等效應力為108.54MPa，在橫梁Ⅲ腹板和翼緣的連接位置。以橫梁的腹板和翼緣連接位置為X軸，從對稱面到端面，以其等效應力值為Y軸，繪制應力變化圖，如圖7所示。在與支臂連接處，相對剛度較大，應力增大，最大增幅約125%，其他位置變化平緩。縱梁的最大等效應力為114.28MPa，在腹板和翼緣連接部位。在與橫梁連接處，應力出現增大，最大增幅約85%，其他位置應力變化平緩。支臂構件中，由于線性水壓的作用，下支臂應力較大，上支臂和腹桿應力較小。分別選取下支臂箱型截面上4個角點為原點，以下支臂長度方向為X軸方向，以其等效應力值作為Y軸，繪制應力變化圖，如圖8所示。在下支臂與橫梁連接的端面，出現應力集中，角點應力增幅較大。支臂上表面與腹桿連接處，相對剛度較大，應力局部增加。

2.5 屈曲分析

弧形閘門是空間薄壁結構且以承壓為主。對國內外閘門失事的調查分析表明，其主要的破壞特征為支臂失穩發生彎扭破壞，因此屈曲分析是必要的[8，9]。屈曲分析是求解結構從穩定到失穩時臨界載荷的方法，分為線性屈曲分析和非線性屈曲分析。線性屈曲分析基于線彈性的假設，忽略了非線性因素，是基本的屈曲分析[10]。為了簡化計算過程，本文選擇線性屈曲的方法進行分析。

屈曲因子如表2所示，閘門所受載荷增至6.03，首次出現屈曲，縱梁2發生局部失穩。觀察前6階屈曲模態形狀，主要是發生在門體結構中的縱梁的局部屈曲，沒有引起支臂屈曲或整體屈曲，箱型支臂的穩定性較好。在荷載增加至6.03前，閘門的穩定性滿足設計要求，未發生屈曲破壞。

3 結論

本文結合工程實例，基于有限元軟件ANSYS建立了計算模型，計算了閘門的支鉸反力、變形、應力及屈曲失穩情況，分析了潛孔弧形閘門的靜力特性，得出以下結論。

①弧形閘門在靜態擋水和瞬間開啟工況下的變形、應力、穩定性符合規范設計要求，瞬間開啟是閘門工作的不利工況。

②瞬間開啟工況下，弧形閘門的最大變形在面板下部區格中心，向內凹陷；最大等效應力在下支臂與橫梁連接處，腹板和翼緣連接位置。

③在閘門各部分的連接處，容易出現應力集中的情況，在設計過程中應采取適當的加固措施，減小應力增加，如圓角過渡、增設加勁板、提高焊縫質量等。

④屈曲分析中，箱型支臂的穩定性較好，縱梁易發生局部失穩。線性屈曲分析忽略了閘門各種非線性因素，應進一步采用非線性屈曲的方法分析校核。

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