平板閘門的三維靜動力分析

魏雨露

摘 ? ?要：平板閘門結構簡單，制造、安裝、維修方便，安全可靠度高，在水利水電工程中普及率最高，但其在啟閉過程中常常會發生振動，嚴重時會引起閘門及周圍建筑物破壞。故本文將有限元的思想引入閘門分析計算中，利用有限元軟件workbench建立了平板閘門的模型，并結合工程實際情況對其進行靜動力分析，探討流固耦合效應與預應力對閘門自振頻率的影響。

關鍵詞：平板鋼閘門;有限元;ANSYS建模;靜動力分析

1 ?引言

在世界范圍內的水利水電工程中，平板鋼閘門使用最早，范圍最廣[1]。平板閘門是一種三維立體結構，按平面問題進行分析雖然簡單易行，但很不精確。因此需要一種能夠對荷載及邊界約束進行逼真模擬，準確反映整體結構和各部分相互協調的分析方法。按空間體系進行設計，即空間有限元法，能夠綜合考慮閘門的性能，對閘門的荷載和約束進行較為精確的仿真計算[1]。

2 ?平板鋼閘門有限元分析原理與建模

2.1 ?平板鋼閘門有限元假設

平板鋼閘門是一個完整的空間結構體系，外力及荷載由閘門全部組成構件承擔，需采用空間有限單元法進行計算。平板鋼閘門可看作板梁組合的結構體系，對閘門進行單元劃分和有限元分析時，相鄰的板單元與梁單元存在相同的結構節點，且需做出一些假定。

2.2 ?閘門三維建模

閘門為潛孔式平板鋼閘門，面板厚度0.025m，高5.4m，荷載跨度為5.0m，計算跨度4.94+0.2×2=5.34m。根據閘門的結構布置，設置X軸為沿主梁、次梁橫軸方向;Y軸沿邊梁，垂直次梁的方向;Z軸為水流方向;零點定為閘門底部。荷載只考慮靜水壓力及閘門自重;約束在閘門底部加豎直向連桿約束，即Y向約束;在閘門的兩側滑塊處順著水流方向有Z向約束作用;在閘門最上方中心中有X向約束，防止閘門在X向有位移。

在此基礎上使用ANSYS軟件建立閘門模型，如圖1。主要應用殼體單元SHELL181單元和梁單元BEAM188。

3 ?平板鋼閘門的動靜力分析

3.1 ?靜力分析

3.1.1 ?應力分析

由面板最大主應力云圖可以看出，面板應力主要發生在與各梁的接觸面處，最大主應力發生在與第五主梁的接觸面處。由于靜水壓力及應力集中的原因，最大主應力發生在下部滑塊約束附近。最大主應力為57.22MPa，遠小于容許應力160MPa。

主梁與次梁最大正應力可知，各主梁與次梁的最大正應力從上到下依次增大，最大正應力發生在第五主梁和第四次梁中間，分別為143.49MPa和63.45MPa，這主要是隨著水深的增加靜水壓力逐漸增大導致的。另外，第二主梁最大正應力相對其余主梁發生突變，這是由于其所處位置有滑塊約束造成了應力集中;次梁應力呈對稱分布，各梁的最大應力均發生在中間位置兩側，這是由于中間位置與豎直次梁相連造成的。

3.1.2 ?變形分析

由面板最大位移云圖可知，面板最大位移為4.04mm，小于規范中允許的最大位移：主梁7.12mm，次梁5.34mm，滿足剛度約束，最大位移發生在與第五主梁和底橫梁接觸面的中間位置。主梁與次梁順水流方向（Z向）的最大位移，從上到下最大位移逐漸增大，發生在第五主梁中間位置和第四次梁中間位置，分別為3.7mm和3.74mm，滿足剛度要求。

3.2 ?動力分析

3.2.1 ?流固耦合效應對閘門振動的影響

進行動力分析時，將對閘門工作狀態（靜水）下的受力情況進行模擬，將水體與閘門面板的接觸面定義為流固耦合，水體的高度為閘門的校核水位高度。閘門在空氣中（不考慮流固耦合效應）與水中（考慮流固耦合效應）的前十階自振頻率[2]見圖2，分析得出如下結論：

平板閘門在靜水中的自振頻率相較于空氣中明顯降低。這是因為考慮了流固耦合效應后，除靜水壓力外，在閘門振動時還在水流方向受額外約束。因此，閘門在水流方向的振動幅度下降，表現在振動頻率上則是閘門的固有頻率明顯降低，尤其是前幾階下降尤為顯著。同時由于結構在動荷載下的響應很大程度上取決于結構前幾階的固有頻率，故在進行閘門設計時，流固耦合效應不可忽略。

3.2.2 ?預應力對閘門振動的影響

為了確定預應力對閘門振動的影響，對閘門在空氣中只考慮自重也進行了動力分析。由圖5可知，閘門的荷載主要影響其高階固有頻率，對結構的低階固有頻率的影響基本可以忽略，因此在閘門的設計過程中，可不考慮預應力對閘門振動的影響。

4 ?結束語

本文利用有限元軟件workbench對平板閘門進行靜動力分析。在靜力分析的過程中，主要考慮了閘門的自重及靜水壓力。在動力分析的過程中，主要探討了流固耦合效應與預應力對閘門振動的影響，并得出以下結論：

（1）通過有限元分析軟件可以較好的對平板閘門進行三維分析，計算結果比較精確，在靜力分析的過程中，可以對平板閘門的設計在強度與剛度兩個方面的進行校核，優勢巨大。

（2）流固耦合效應對閘門的振動影響明顯，預應力則基本沒有影響，因此，在平板閘門的設計中，必須進行考慮流固耦合效應下的動力特性分析。若只按靜力準則進行設計，閘門在工作時會有共振破環的危險。

參考文獻：

[1] 賈震.平板閘門參數化有限元分析及結構輕量化設計[D].北方工業大學，2015.

[2] 張學森.基于流固耦合數值模擬的深孔平面鋼閘門底緣結構型式研究[D].西北農林科技大學，2011.