內(nèi)蒙古尼爾基水庫(kù)溢洪道工作閘門(mén)結(jié)構(gòu)有限元分析

胡 博，耿長(zhǎng)興，2，冀振亞，康 健，劉 彬

（1.水利部長(zhǎng)春機(jī)械研究所，吉林 長(zhǎng)春130012；2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130012）

1 工程概況

尼爾基水利樞紐，位于黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界的嫩江干流上，壩址右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗尼爾基鎮(zhèn)，左岸為黑龍江省訥河市二克淺鎮(zhèn)，距下游工業(yè)重鎮(zhèn)齊齊哈爾市約189km。尼爾基水利樞紐總工期為5年，2006年12月底主體工程全部完工。

尼爾基水利樞紐工程正常蓄水位216.00m，校核洪水位219.90m，設(shè)計(jì)洪水位218.15m，水庫(kù)總庫(kù)容86.1億m3，總裝機(jī)為25萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量6.387億kW·h。是1994年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《松花江、遼河流域水資源綜合開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃》中推薦的一期工程，是國(guó)家“十五”計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，也是國(guó)家實(shí)施“西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略”標(biāo)志性工程之一。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求，閘門(mén)投入運(yùn)行后5年內(nèi)應(yīng)進(jìn)行首次檢測(cè)，首次檢測(cè)后，每6～10年應(yīng)進(jìn)行定期檢測(cè)，其中，安全檢測(cè)內(nèi)容即包括復(fù)核計(jì)算[1]。為了從理論上驗(yàn)算閘門(mén)的強(qiáng)度情況，本次對(duì)露頂式工作閘門(mén)進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，有限元分析計(jì)算的具體工況為：工作閘門(mén)在設(shè)計(jì)水頭（18.65m）的工況。

2 工程實(shí)例

2.1 三維模型的建立

依據(jù)提供的圖紙?jiān)贑reo2.0中建立三維模型，具體如圖1、圖2所示。

2.2 有限元模型的建立

（1）模型的導(dǎo)入

圖1 閘門(mén)迎水面正視圖

圖2 閘門(mén)背水面正視圖

Creo2.0模型以step格式導(dǎo)入ANSYS16.0，經(jīng)過(guò)對(duì)比驗(yàn)證，導(dǎo)入模型正確，具體見(jiàn)圖3。

圖3 ANSYS中閘門(mén)模型

（2）單元體選擇

閘門(mén)仿真分析可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：

1）三維實(shí)體有限元模型，使用solid45單元體，優(yōu)點(diǎn)是模型細(xì)節(jié)體現(xiàn)較好，缺點(diǎn)是計(jì)算量較大，適合計(jì)算復(fù)雜空間幾何體；

2）三維片體有限元模型，使用shell63單元體，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量較小，缺點(diǎn)是無(wú)法體現(xiàn)例如焊接等細(xì)節(jié)部分。

為提高分析精度，本閘門(mén)仿真分析選擇solid45單元體，通過(guò)網(wǎng)格劃分，共劃分成125501個(gè)單元。

（3）結(jié)構(gòu)尺寸及材料特性

結(jié)構(gòu)外形尺寸按設(shè)計(jì)圖紙取用，閘門(mén)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，材料的容許應(yīng)力應(yīng)按使用年限進(jìn)行修正[2]：

式中：[σ]'-修正后的容許應(yīng)力值；

K-使用年限修正系數(shù)，取0.90～0.95，鑒于本露頂式工作閘門(mén)運(yùn)行狀況，此處取0.95；

[σ]-材料容許應(yīng)力值。

閘門(mén)次梁及支臂桁架結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼，鋼材厚度均小于16mm，其余結(jié)構(gòu)材料均為Q345鋼，鋼材厚度均小于 40mm。Q235 許用應(yīng)力：[σ]’=152MPa（δ≤16時(shí)，[σ]=160MPa[3]）；Q345許用應(yīng)力：[σ]’=214MPa（δ≤40，[σ]=225MPa[3]）。計(jì)算時(shí)，取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3[4]。

（4）約束處理

閘門(mén)底部受到鉛垂方向的支撐約束，兩支鉸處三個(gè)方向的位移為0，除此之外，所有節(jié)點(diǎn)均為自由節(jié)點(diǎn)。具體約束施加位置見(jiàn)圖4。

圖4 閘門(mén)約束圖示

（5）載荷的確定和施加

計(jì)算載荷主要考慮在閘門(mén)上的靜水壓力和閘門(mén)自重，有限元計(jì)算時(shí)按照設(shè)計(jì)圖紙上的設(shè)計(jì)水頭18.65m計(jì)算。具體載荷加載方式見(jiàn)圖5。

圖5 載荷加載示意圖

3 溢洪道工作閘門(mén)計(jì)算結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)水頭下閘門(mén)總體和主要構(gòu)件應(yīng)力分布圖和變形圖見(jiàn)圖6～圖17，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖6 閘門(mén)整體當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖7 閘門(mén)整體變形分 布云圖

圖8 閘門(mén)面板當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖9 閘門(mén)面板位移分 布云圖

圖10 上主梁當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖11 上主梁位移分 布云圖

圖12 下主梁當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖13 下主梁位移分布 云圖

圖14 中縱梁當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖15 中縱梁位移分布 云圖

圖16 支臂當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖17 支臂位移分布云圖

表1 工作閘門(mén)應(yīng)力與變形一覽表

（1）閘門(mén)面板：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值；

（2）上主梁：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值，變形小于校核許用值；

（3）下主梁：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值，變形小于校核許用值；

（4）邊梁：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值；

（5）中縱梁：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值；

（6）次梁：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q235的校核許用應(yīng)力值，變形小于校核許用值；

（7）底梁：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q235的校核許用應(yīng)力值，變形小于校核許用值；

（8）支臂： 最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值，變形小于校核許用值；

（9）支臂桁架及連接板：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值。

上述結(jié)果說(shuō)明，工作閘門(mén)各主要構(gòu)件受力均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 有限元分析結(jié)論

經(jīng)過(guò)仿真應(yīng)力值與材料的許用值對(duì)比，得到以下結(jié)論：

閘門(mén)主要構(gòu)件，包括面板、上下主梁、邊梁、中縱梁、次梁、底梁、支臂等，各自當(dāng)量應(yīng)力值整體均小于Q345或Q235鋼校核許用應(yīng)力值，且各自最大變形值也小于規(guī)范的許用剛度值。