閘門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

康 健，冀振亞，胡 博，耿長興，劉 彬

（水利部長春機(jī)械研究所，吉林 長春130012）

1 引言

閘門是水利工程的關(guān)鍵樞紐，使用過程中在各種外力的綜合作用下閘門內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變，因此，閘門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接關(guān)系到整個(gè)水利工程的可靠性和安全性[1～3]。閘門結(jié)構(gòu)的主要的特點(diǎn)是零件種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，普通的強(qiáng)度計(jì)算方法只能從數(shù)值上反映閘門的強(qiáng)度情況，但反應(yīng)不出在閘門內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布和響應(yīng)情況，更反映不出在外力的作用下閘門各部分的具體變形情況[4～6]。故有必要對閘門進(jìn)行有限元模擬仿真，以觀察、分析在受外力作用時(shí)閘門內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況和變形情況，本次有限元分析計(jì)算的具體工況為：工作閘門在設(shè)計(jì)水頭（13.584m）的工況。

2 閘門三維建模

依據(jù)現(xiàn)有閘門方案設(shè)計(jì)圖在Pro/E中建立閘門的三維模型，如圖1和圖2所示。

圖2 閘門背水面視圖

3 閘門有限元仿真

3.1 導(dǎo)入閘門模型并選擇單元體

將建好的閘門Pro/E模型以step格式導(dǎo)入ANSYS軟件中，如圖3所示，經(jīng)過對比驗(yàn)證，導(dǎo)入模型正確。

圖3 ANSYS中閘門模型

閘門的仿真分析有2種實(shí)現(xiàn)方式：（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)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，本閘門仿真分析選擇solid45單元體，通過網(wǎng)格劃分，共劃分成29868個(gè)單元。

3.2 材料特性及約束處理

結(jié)構(gòu)尺寸按設(shè)計(jì)圖紙取用，鑒于工作閘門運(yùn)行狀況，按照《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》SL74-2013和《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》SL226-98，對許用應(yīng)力均進(jìn)行折減，折減系數(shù)取0.95。閘門結(jié)構(gòu)的材料為Q345B碳素鋼，其許用應(yīng)力為：213.75MPa（δ≤ 16mm），213.75MPa（δ＜16～40mm）；支鉸部分的材料為ZG310-570，其許用應(yīng)力為：128.25MPa。取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。

閘門底部受到鉛垂方向的支撐約束，兩支鉸處采用軸向和徑向固定、轉(zhuǎn)動(dòng)自由的鉸支約束，除此之外，所有節(jié)點(diǎn)均為自由節(jié)點(diǎn)，具體約束施加位置如圖4所示。

圖4 閘門約束圖

3.3 載荷的確定及施加

計(jì)算載荷主要考慮在閘門上的靜水壓力和閘門自重，有限元計(jì)算時(shí)按照設(shè)計(jì)圖紙上的計(jì)算水頭13.584m計(jì)算，載荷加載方式如圖5所示。

圖5 載荷加載示意圖

3.4 結(jié)果分析

為了更加清晰、直觀的反應(yīng)在閘門受到外力作用時(shí)，閘門整體結(jié)構(gòu)及各構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布情況、變形情況，在此用ANSYS軟件對閘門總體結(jié)構(gòu)及面板、頂梁、底梁、支臂等主要構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力分布分析和變形分析，仿真結(jié)果分別如圖6 ～圖15所示。

圖6 閘門整體當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖7 閘門整體變形分布云圖

圖8 閘門面板當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖9 閘門面板位移分布云圖

圖10 頂梁/底梁當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖11 頂梁/底梁位移分布云圖

圖12 支臂當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖13 支臂位移分布云圖

圖14 支鉸應(yīng)力分布云圖

圖15 支鉸位移分布云圖

對仿真結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，如表1所示，閘門面板、頂梁、底梁、支臂和支鉸等構(gòu)件的最大當(dāng)量應(yīng)力值均小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值，變形量也均小于校核許用值。上述結(jié)果說明，工作閘門整體結(jié)構(gòu)及各主要構(gòu)件均滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 工作閘門應(yīng)力與變形表

4 結(jié)論

將仿真結(jié)果應(yīng)力值、變形量與材料的許用值對比，可以得出以下結(jié)論： 閘門整體結(jié)構(gòu)及主要構(gòu)件，包括面板、頂梁、底梁、支臂等的最大當(dāng)量應(yīng)力值均小于Q345鋼校核許用應(yīng)力值，且各部件的最大變形值也小于規(guī)范的許用值；故該閘門安全可靠，滿足實(shí)際使用需求，可以用于水利工程。