基于ANSYS workbench的哈達山溢流壩弧形閘門受力分析

楊 微 劉 彬

(松遼水利委員會水利工程建設管理站，吉林 長春 130012)

1 引 言

哈達山水利樞紐工程地處吉林省境內的第二松花江下游地區，距離嫩江和第二松花江交匯口60km左右，是第二松花江上最關鍵的控制性工程。哈達山樞紐主要為吉林西部地區農業生活和工業生產供水，同時具有水力發電、生態供水等功能。哈達山水利樞紐的溢流壩布置在樞紐左岸的主河道上，全長297.5m，溢流壩共分16孔道，其中單孔凈寬為16m，溢流壩設置有弧形工作閘門，弧形閘門的設計水頭為6.6m。閘門建設完成后已安全運行多年，為再次檢驗弧形閘門的強度狀況，對溢流壩弧形工作閘門進行有限元分析計算，從理論上了解弧形閘門各構件的薄弱情況，為下一步開展安全檢查工作奠定基礎。

本文使用的有限元分析軟件為ANSYS Workbench 16.0，弧形閘門受力計算時以弧形閘門的設計水頭6.6m為計算工況，按照三維建模—模型導入—模型參數設置—分析結果驗證等程序完成弧形閘門的有限元受力分析。

2 模型及參數

2.1 閘門模型的建立

依據弧形閘門原始設計圖紙的尺寸，按照1∶1的比例建模，應用Creo 2.0三維設計軟件，按照相關規范要求，準確建立哈達山弧形閘門的三維模型，見圖1、圖2。

圖1 弧形閘門擋水面

圖2 弧形閘門背水面

2.2 有限元模型的設置

2.2.1 模型的導入

將Creo 2.0軟件中建好的弧形閘門三維模型，轉換成.step格式，經修正后導入到Workbench-Static Structural模塊中，導入后的模型定義水流上游到下游方向為X軸正方向，閘門高度方向為Y軸正方向，閘門寬度方向為Z軸。經過模型修改及驗證，模型精度可供后續分析使用，導入Workbench修正后的三維模型圖見圖3。

圖3 Workbench修正后的弧形閘門

2.2.2 有限元網格的劃分

弧形閘門有限元模型單元體有以下兩種選擇：選用solid45單元體或shell63單元體。其中solid45單元體的優點是模型的細節體現比較好，缺點是計算量較大，適合計算較復雜的空間幾何體，即建立三維實體有限元模型。shell63單元體的優點是計算量較小，缺點是無法體現焊接等細節部分，即建立三維片體有限元模型。本文的有限元模型單元體選用solid45單元體，對模型進行有限元網格劃分，以提高受力分析精度。模型有限元網格劃分完成后，網格質量符合分析要求，模型最終被劃分成314515個單元。

2.2.3 模型尺寸及材料特性

模型尺寸參數依照閘門設計圖紙尺寸繪制，弧形閘門已運行使用多年，復核時應對弧形閘門的許用應力進行折減。通過查閱《水利水電工程金屬結構報廢標準》(SL 226—1998)和《水利水電工程鋼閘門設計規范》(SL 74—2019)，折減系數取為0.90。弧形閘門材料設計為Q345C碳素鋼，根據規范，當材料厚度δ不大于40mm時，許用應力為202.5MPa。泊松比μ設為0.3，彈性模量E設為2.06×105MPa，材料密度為7810kg/m3。支鉸座材料設計選用ZG310-570，當材料厚度δ不大于100mm時，其許用應力值為121.5MPa。

2.2.4 模型約束設置

在閘門實際運行中，弧形閘門底部受到地面鉛垂方向的支撐約束，在Workbench中選用Displacement進行約束；閘門的兩個支鉸座受到軸向和徑向固定、轉動自由的鉸支約束，在Workbench中選用Cylindrical Support進行約束；模型的所有節點均設置為自由節點。模型約束設置情況見圖4。

圖4 弧形閘門約束的設置

2.2.5 模型載荷加載

在考慮弧形閘門受到的載荷時，閘門自重和靜水壓力為模型的主要載荷。在Workbench分析計算時，按照閘門的設計水頭6.6m加載靜水壓力，模型選用Hydrostatic Pressure進行加載，模型載荷加載情況見圖5。

圖5 模型載荷加載圖

3 弧形閘門有限元計算結果

經過建立模型和有限元設置后，應用Ansys Workbench展開計算分析，得到弧形閘門各構件的最大當量應力值和最大變形情況結果，見表1。圖6～圖27為弧形閘門整體受力及變形情況和各主要構件在設計水頭載荷作用下的受力和變形結果。通過對有限元運行結果的整理可知，弧形閘門的面板、頂梁、底梁、主橫梁、次橫梁、邊梁、縱梁、支臂和支鉸座等構件的最大當量應力值均小于弧形閘門設計使用材料Q345C碳素鋼的校核許用應力值，各構件的最大變形也小于校核許用值。有限元分析計算結果表明，弧形閘門各構件的受力及變形理論上均符合原始設計的要求。

表1 弧形閘門各構件最大應力及變形情況

由表1有限元計算結果可知，弧形閘門最大當量應力為111.86MPa，位于支臂上；閘門變形最大位移為3.51mm，位于次橫梁上。弧形閘門支臂位置處受力最大，其次為上主梁和下主梁，頂梁和邊梁受力最小。弧形閘門位移形變量最大處為閘門面板和次橫梁的中間部位，其次為閘門上、下主梁和中縱梁的中間部位，閘門支鉸座的變形量最小。

3.1 弧形閘門整體計算結果

弧形閘門整體計算結果見圖6、圖7。

圖6 弧形閘門當量應力圖

3.2 弧形閘門各主要構件計算結果

圖8～圖27分別為弧形閘門的面板、主梁、縱梁、次梁、支臂、支臂桁架及連接板和支鉸座等主要構件的有限元計算結果分布圖。其中，閘門受力單位均為MPa，變形位移單位均為mm。

圖8 閘門面板當量應力圖

圖9 閘門面板位移圖

圖10 主梁/縱梁/次梁當量應力圖

圖11 主梁、縱梁、次梁位移圖

圖12 主梁前翼板當量應力圖

圖13 主梁前翼板位移圖

圖14 主梁腹板當量應力圖

圖15 主梁腹板位移圖

圖16 主梁后翼板當量應力圖

圖17 主梁后翼板位移圖

圖18 縱梁當量應力圖

圖19 縱梁位移圖

圖20 邊梁當量應力圖

圖21 邊梁位移圖

圖22 支臂當量應力圖

圖23 支臂位移圖

圖24 支臂桁架及連接板應力圖

圖25 支臂桁架及連接板位移圖

圖26 支鉸座應力圖

圖27 支鉸座位移圖

4 有限元分析結論

根據ANSYS Workbench有限元計算結果，得到了弧形閘門在靜水壓力荷載下各構件的應力大小和變形情況。比較閘門各構件的有限元計算結果與材料的許用值能夠得出以下結論：弧形閘門的各構件，包括面板、頂梁、底梁、主橫梁、次梁、邊梁、縱梁、支臂等的最大當量應力值均小于閘門設計材料Q345C的校核許用應力值，各構件的最大變形量也均滿足許用剛度的要求。因此，經有限元計算該弧形閘門構件的最大應力、應變理論上均符合相關要求，后續可根據有限元計算結果，對閘門各構件薄弱部位開展針對性的檢測。