水工弧形閘門結構的APDL建模方法

張雪才，陳麗曄，王正中

水工弧形閘門結構的APDL建模方法

張雪才1,2，陳麗曄1,2，王正中3

(1. 黃河勘測規劃設計研究院有限公司博士后科研工作站，河南 鄭州 450003； 2. 黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003； 3. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

針對水工弧形閘門結構有限元分析過程中建立幾何模型和有限元模型過程不清晰、方法不高效及質量不高問題，采用通用有限元計算軟件ANSYS中APDL參數化語言給出快速建立弧形閘門高質量幾何模型和有限元模型的具體思路和相應APDL命令。確保了幾何模型的真實性、有限元模型的正確性、邊界條件的恰當性、分析結果的合理性。進而解決了弧形閘門有限元分析過程中的關鍵技術問題，提高了閘門設計質量；基于參數化建模能準確快速修改閘門設計中的相關參數，提高了閘門設計效率；為同類型閘門結構高質量設計和分析提供借鑒作用；同時為完善、豐富現行閘門設計規范奠定技術基礎。

弧形閘門；APDL；幾何建模；有限元模型；技術基礎

閘門作為水庫大壩的調節咽喉，其作用是封閉水工建筑物的孔口，并按需全部或局部開啟，以調節上下游水位、泄放流量及其他控制功能。閘門在水工建筑物總造價中所占的比重較大，一般約占10%~30%，在某些工程上可達50%[1]，其安全、穩定、靈活運行關系到水利樞紐的效益，而且還決定著整個樞紐建筑物和下游人民生命財產的安全，是一項十分重要的工作。常用的閘門類型是弧形閘門及平面閘門[2](圖1)，其中弧形閘門因其合理的構造形式，可封閉大面積的孔口、啟閉力小、不影響水流流態的門槽、水力條件好等獨特優點[3-4]受到廣大設計人員的青睞。

圖1 閘門結構((a)弧形閘門結構；(b)平面閘門結構)

我國現階段采用的閘門規范為《水電工程鋼閘門設計規范(NB35055-2015)》[5]、《水利水電工程鋼閘門設計規范（SL74-2019）》[6]。我國閘門設計規范在近60年中修訂了6次，但變動不大，仍采用基于平面體系的容許應力法進行結構設計與驗算，滯后于美國、歐洲等國家規范及我國其他行業的規范和科研進展[7]。采用平面體系法雖有力學概念明確、計算簡便的優點，但不能完全反映出閘門真實工作狀態，有些主要構件偏于安全而有些則偏于危險[8]。閘門是一個完整的空間結構體系，各構件相互協調，作用在其結構上的外力由全部組成構件共同承擔，空間效應很強，各主要構件受力復雜，除承受彎矩，還承受較大的扭矩，對抗扭剛度較小的開口或閉口的薄壁構件，由于彎矩和扭矩的作用，還產生了彎曲應力和扭轉應力，而且還因弧形閘門整體結構為高次超靜定結構，其還承受翹曲應力，由此應力分布更加復雜。

有限元法的快速發展使閘門結構完全按空間體系分析計算成為了現實，運用有限元法分析閘門結構，充分體現其空間效應，并準確計算出各構件的應力及變形，在節省材料、減輕閘門自重的同時，可提高閘門的整體安全度。自20世紀70年代開始，我國絕大多數設計單位和高校采用有限元法對閘門結構靜力特性進行分析[9-19]。另外《機械產品結構有限元分析通用規則(GB/T33582-2017)》[20]的頒布實施，商業化軟件的完善與成熟，已具備了用有限元法進行結構計算的條件，并且相對于采用傳統材料力學受力分析計算方法而言，有限元法可得到更加精確的結果，能解決傳統力學方法不得不做出極大簡化和假設或根本計算不出來的復雜問題，故采用有限元法對閘門結構進行分析將成為基本趨勢[7]。

現行閘門設計規范[5-6]中均提到可采用有限元法對閘門結構進行復核，但均未給出明確的計算步驟和相應的APDL命令。而對閘門結構進行有限元分析的基礎是要準確建立閘門的有限元模型，眾多研究人員對各種不同的閘門類型進行了有限元分析[9-19]，但幾乎都是由閘門的幾何模型直接過渡到有限元模型，最后給出分析結果，而未給出閘門結構幾何建模、網格劃分和邊界條件施加的具體過程，恰恰這些過程對計算結果有著至關重要是作用，只有將這些過程交代清楚，并可重復才能保證幾何模型的真實性、有限元模型的正確性、邊界條件的恰當性、分析結果的合理性。

通用有限元計算軟件ANSYS中有2種輸入方式，即圖像用戶界面(graphical user interface，GUI)和ANSYS參數化設計語言(ANSYS parametric design language，APDL)，其中APDL是一種解釋性編程語言，可彌補GUI操作方式工作量大，重復操作的不足，更適合閘門設計過程中“設計-分析-修改設計-再設計-再分析-再修改”的工作模式，減少重復操作過程，提高設計效率。此外還可以克服其他建模軟件將幾何模型(圖2)轉化為有限元模型時閘門結構信息丟失的問題，故采用ANSYS中APDL參數化語言給出建立閘門幾何模型、有限元模型、邊界條件和結果分析的具體過程，解決弧形閘門有限元分析過程中的關鍵技術問題，提高閘門設計的質量；基于參數化建模能準確、快速修改閘門設計中的相關參數，提高閘門設計的效率；為同類型閘門結構高質量設計和分析提供借鑒作用；此外，基于三維建模方式，能精確得出設計閘門的重量和重心位置，快速確定閘門啟閉機容量；同時為完善豐富現行閘門設計規范奠定技術基礎。

圖2 三維建模軟件建立的模型

1 弧形閘門幾何模型

弧形閘門主要由門葉結構、支臂結構和支鉸3大部分組成，其與平面閘門結構的不同之處在于弧形的擋水門葉和支臂等，為更具一般性，以某水利樞紐的弧形閘門結構為例，闡述其有限元建模及分析過程。

例子中堰頂高程為416.0 m，校核水位430.2 m，墩厚為2.5 m，墩高為20.4 m。閘孔的寬和高分別為14.0 m和12.5 m，閘門主梁的有效計算長度為13.4 m，設計時采用雙橫梁直支臂結構，弧門支臂長16.0 m。面板厚度12 mm，頂梁腹板厚12 mm、翼緣厚10 mm，底梁翼緣厚42 mm，次橫梁腹板厚12 mm、翼緣厚12 mm，主橫梁腹板厚22 mm、翼緣厚16 mm，次縱梁腹板厚12 mm、翼緣厚12 mm，支臂腹板厚25 mm、翼緣厚30 mm。圖3(a)中R17070為支鉸距離水封外緣的半徑為17 070 mm，R17000表示支鉸距離面板外緣的半徑為17 000 mm，8800表示2支鉸間的距離為8 800 mm，1400表示孔口的寬度為1 400 mm，2200表示縱梁間的水平間距為2 200 mm；圖3(b)中14910表示面板的弧長為14 910 mm，5420表示上主橫梁到門頂的弧長為5 420 mm，8390表示上下主橫梁間的弧長為8 390 mm，1100表示下主橫梁到門底的弧長為1 100 mm，900，890，800，750，700，650，600，500和100分別表示水平次梁間的距離為900 mm，890 mm，800 mm，750 mm、700 mm，650 mm，600 mm，500 mm和100 mm，9716表示支鉸距離門底的水平距離為9 716 mm，13950表示支鉸距離門底的豎直距離為13 950 mm。設置2根主橫梁，5根豎向縱梁，邊梁和底梁各有1根，主橫梁的編號從上到下依次為1和2；次橫梁編號從下到上依次為1，2，···，17，如圖3所示。

高程單位(m)；尺寸單位(mm)

2 弧形閘門有限元模型

2.1 材料特性的確定

現行閘門設計規范[5-6]中規定閘門材質的選擇應綜合考慮水質、腐蝕、泥沙、水生物等影響。此外，還應根據當時當地的技術、經濟條件及閘門的重要程度進行綜合考慮。隨著經濟和社會的發展，閘門材料的選擇也發生了如下改變：①孔口尺寸很小，水頭較低且閘門啟閉次數較少時，可采用木制閘門，但木材在水中的耐久性差，需經常更換，木質閘門已不再使用；②閘門孔口尺寸較小或閘門構件外形比較復雜時，可采用鑄鋼或鑄鐵閘門，但其鑄造工藝勞動強度及加工工作量大、費用高，長期關閉狀態或不經常開啟時易發生銹蝕，影響啟閉的正常運行，抗彎強度低等不足，已很少采用此類閘門；③鋼筋混凝土閘門具有重量大、啟閉難、止水易漏水的缺點，也不再使用；④鋼材的強度、剛度和穩定性均較大，并且鋼結構的塑性和韌性較好，此外鋼材加工方便，質量相對較輕可減小啟閉機的容量，密封性好，鋼材的產量也較大，所以閘門一般都選用鋼材制造。此外因不銹鋼材料的造價一般為碳素鋼的4~8倍，且焊接性能不好，在實際工程中還沒有采用不銹鋼材料制造閘門，但隨著經濟和制造技術的不斷發展，未來閘門的制造材料可考慮采用高性能不銹鋼。閘門中常用鋼材和鑄鋼件的物理性能見表1。

表1 鋼材的物理性能

2.2 單元類型選擇及網格劃分方式

有限元模型的計算是基于結點和單元，單元類型的選擇應以保證所選取的單元能較好地模擬實際結構在荷載作用下的力學性能為基本原則，所以選擇合適的單元類型對計算精度有很大影響。弧形閘門是一個空間薄壁結構，主要由面板、梁格和支臂等部件通過焊接或螺栓連接構成。采用有限元法按整體空間結構體系進行計算時，可將有限元模型分為：①板(殼)梁結構，面板采用殼單元模擬，主梁、次橫梁、次縱梁、底梁、邊梁和支臂等采用梁單元模擬，該種模式最簡單，但簡化過多，計算精度不高；②部分空間薄壁結構，如面板采用殼單元，主梁和次梁腹板采用板單元模擬；翼緣由于主要受軸向力作用可采用桿單元模擬，底梁、邊梁和支臂等采用梁單元模擬；③完整空間薄壁結構，將閘門結構的所有構件，包括面板、主梁、水平次梁、豎直次梁、底梁、邊梁和支臂等都采用殼單元模擬，能更好地反映出構件的彎曲、扭轉和剪切等組合變形，該模型未對閘門結構進行簡化，保留了閘門結構的特性，計算結果精確；④完整實體單元，該種方式幾何建模、網格劃分工作量大，計算量也大，效率較低。鑒于此，采用完整空間薄壁結構模擬弧形閘門。

囿于弧形閘門結構的復雜性，其幾何建模和網格劃分2個環節是計算分析能否成功及結果是否合理正確的關鍵。由上述分析可知，選用殼單元對閘門結構進行模擬，這里采用Shell 181單元。因映射網格劃分可保證得到高質量的網格劃分結果，其是弧形閘門結構高質量有限元模型的基礎，進而得到高精度的計算結果。

2.3 約束及荷載的施加

弧形閘門在關閉擋水時，其面板底部在水壓力作用下相當于直接與閘底板接觸，有限元分析時一般直接約束面板底部的線位移；門葉的邊梁處，直接約束垂直水流方向和沿水流方向的線位移來模擬邊墩對閘門的約束作用；閘門支鉸處不允許有線位移，約束3個方向的線位移和2個方向的角位移、僅放松可以繞支鉸轉動的角位移。

同樣弧形閘門在關閉擋水時，承受的荷載主要來自靜水壓力和自重，其中靜水壓力沿水深方向是線性變化的，可采用軟件中的SFGRAD命令以面荷載梯度的方式施加，自重采用ACEL命令施加。因本文計算暫未考慮啟閉工況，故不考慮啟閉力的作用。

3 弧形閘門APDL建模

采用ANSYS中APDL編程語言編制弧形閘門整體建模命令時，首先，根據閘門結構的整體布置情況確定整體坐標系位置，對其選擇沒有嚴格要求，但為建模和分析的方便一般選擇2支鉸連線的中點為坐標原點，本次建模采用直角坐標系，坐標原點選在2支鉸連線的中點處，方向沿水流方向，方向垂直水流方向向上，方向垂直于的平面方向，所建坐標系符合笛卡爾坐標系的右手法則。其次，根據閘門的設計尺寸建立幾何模型，要從全局考慮，不只是簡單的將平面結構轉化為空間結構。因為建立的幾何模型質量不高或建模過程不合理，會給網格劃分造成極大的困難，影響計算結果的準確性，有時甚至需要采用結點耦合(CP命令)或約束方程(CNINTF)等輔助手段來彌補其不合理，還要對劃分好的模型進行是否完整、有無漏劃、網格質量好壞等全方位檢查。再次，根據閘門所處的分析狀態施加約束和荷載。最后，進行求解分析，包括靜力分析(線性分析和非線性分析)、動力分析(模態分析、諧響應分析、瞬態動力分析、譜分析)等，并根據現行閘門設計規范[5-6]綜合評價分析閘門結構的強度和剛度。

具體建模過程及相應的APDL命令如圖4所示，建立的閘門有限元模型如圖5所示。

圖4 閘門APDL建模過程

圖5 弧形閘門有限元模型

(1) 開始。確定統一的單位，一般長度和厚度單位采用“m”，角度單位采用“度(°)”，密度單位采用“kg/m3”，彈性模量單位采用“Pa”等，計算得到的位移單位為“m”，應力單位為“Pa”。相應APDL命令為：/UNIT, SI；*AFUN, Deg。

(2) 預處理。①選定單元類型采用et命令，賦予材料特性采用mp命令。相應APDL命令為：et,1,181；mp,ex,1,2.06e11。②定義弧形閘門各結構的板厚尺寸，采用常用的R命令，相應APDL命令為：R,1,0.012，具體指面板的厚度為0.012 m。

(3) 建立模型或修改模型。①根據弧形閘門的結構位置采用點、線、面的方式建立幾何模型，建模過程中要充分利用好定義組件命令“CM”，如整個面板、主梁、支臂等為一個組件，在網格質量檢查、結果提取等過程中非常方便。相應APDL命令為：CM,mianban,area。②為保證滿足映射網格劃分的條件，要靈活使用工作平面切分命令(ASBW)，相應APDL命令為：Wprota,,90(繞軸旋轉90°)，Asbw, mianban(工作平面切分面板)，進而得到高質量的網格，即為采用定義組件的重要原因，如圖6~圖9中面板、主梁、次縱梁和支臂的幾何模型。③為滿足映射網格網格的要求，采用Lesize命令對線按份數進行劃分，相應APDL命令為：Lesize,238,,,12，其中238為線號，12為劃分份數。④對于相同的結構，如上主梁與下主梁(圖7)，次縱梁(圖8)等結構，為減少幾何建模和網格劃分的工作量，可采用復制命令或鏡像命令，相應APDL命令：Asel,s,,,S_Zhuliang (選擇上主梁結構的所有面)，Arsym,z,Zhuliang (對上主梁結構進行鏡像得到上下主梁結構，并且相應的單元類型、網格劃分等屬性都可以得到)，復制命令(Agen)和鏡像命令(Arsym)聯合使用可大大減少建模和網格劃分的工作量。

(4) 模型檢查。對建立弧形閘門結構的幾何模型和有限元模型進行全面檢查，以保證模型的真實性和網格質量的正確性，采用Check命令進行檢查。

(5) 模型求解。施加邊界約束和荷載，使用有限元結點施加約束命令(D)直接對結點施加約束，使用面荷載梯度命令(SFGRAD)直接將荷載施加到弧形閘門的面板上，使用ACEL命令施加自重，使用Solve命令進行求解。

(6) 后處理和結果評價。提取閘門相應結構的位移和應力，相應APDL命令：Plnsol,s,eqv (提取結構的等效應力)，Plnsol,u,sum(提取結構的位移)，最后根據設計規范[5-6]進行綜合評價閘門結構的安全性。

圖6 面板結構模型((a)面板幾何模型； (b)面板有限元模型)

根據上述步驟建立的閘門幾何模型見圖1(a)和有限元模型見圖5，相應面板、主梁、次縱梁和支臂結構的幾何模型和有限元模型見圖6~圖9，其中主梁采用T型梁，直接與面板焊接在一起，面板的一部分充當主梁的上翼緣，共劃分54 082個單元和52 025個結點。

圖7 主梁結構模型((a)主梁幾何模型； (b)主梁有限元模型)

圖8 次縱梁結構模型((a)次縱梁幾何模型； (b)次縱梁有限元模型)

圖9 支臂結構模型((a)支臂幾何模型； (b)支臂有限元模型)

4 結果分析

采用APDL編程語言對弧形閘門結構的面板、主梁、次縱梁和支臂結構的計算結果進行提取，結果見圖10~圖13。

由圖10~圖13可知：面板等效應力的最大值出現在面板中下部位置為133 MPa (圖10(a))，最大位置值出現在面板中下部位置為0.014 9 m (圖10(b))。主梁等效應力的最大值出現在主梁跨中位置為137 MPa (圖11(a))，最大位移位于下主梁跨中為0.013 5 m (圖11(b))。次縱梁等效應力的最大值出現在第4縱梁的中下部位置為98.7 MPa (圖12(a))，最大位移位于第4縱梁的中下部位置為0.014 0 m (圖12(b))。支臂等效應力的最大值出現在下主梁與支臂的連接處為108 MPa (圖13(a))，最大位移位于下主梁與支臂的連接處為0.010 m (圖13(b))。

由現行閘門設計規范[5-6]及其配套的規范[21-22]可知，面板的允許應力為234.1 MPa，主梁、次縱梁和支臂的允許應力為142.5 MPa，主梁最大撓度與計算跨度之比不超過1/600，可知面板、主梁、次縱梁和支臂結構的強度滿足設計要求，主梁的最大位移0.013 5 m小于0.022 3 m，亦知主梁的剛度滿足設計要求。

5 結 論

采用ANSYS中APDL參數化編程語言給出建立閘門高質量幾何模型、有限元模型、邊界條件和結果分析的具體過程，解決了弧形閘門有限元分析過程中的關鍵技術問題，提高了閘門設計質量；基于參數化建模能快速修改閘門設計中的相關參數，提高了閘門設計效率；為同類型閘門結構高質量設計和分析提供借鑒作用，同時為完善豐富現行閘門設計規范奠定了技術基礎。

[1] 安徽省水利局勘測設計院. 水工鋼閘門設計[M]. 北京: 水利電力出版社, 1983: 1-2. Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower. Design of hydraulic steel gate[M]. Beijing: Water Conservancy and Electric Power Press, 1980: 1-2 (in Chinese).

[2] 楊逢堯, 魏文煒. 水工金屬結構[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2005: 1-3. YANG F Y, WEI W W. Hydraulic metal structure[M]. Beijing: China Water Power Press, 2005: 1-3 (in Chinese).

[3] 嚴根華, 閻詩武. 水工弧形閘門的水彈性耦合自振特性研究[J]. 水利學報, 1990, 35(7): 49-55. YAN G H, YAN S W. Study on coupled elastic water and vibration characteristics of hydraulic radial gate[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1990, 35(7): 49-55 (in Chinese).

[4] 嚴根華. 水動力荷載與閘門振動[J]. 水利水運工程學報, 2001, 29(2):10-15. YAN G H. Hydrodynamic load and gate’s vibration[J]. Hydro-Science and Engineering, 2001, 29(2): 10-15 (in Chinese).

[5] 國家能源局. 中華人民共和國能源行業標準: 水電工程鋼閘門設計規范 NB 35055—2015[S]. 北京: 中國水利水電出版社, 2016. National Energy Bureau of the People’s Republic of China. Energy Standard of the People’ Republic of China: Design code for steel gate in hydropower projects. NB 35055— 2015[S]. Beijing: China Water Power Press, 2016 (in Chinese).

[6] 中華人民共和國水利部. SL74-2019水利水電工程鋼閘門設計規范[S]. 北京: 中國水利水電出版社, 2020: 1-44. Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China. SL74—2019 Specification for design of steel gate in hydraulic and hydroelectric engineering[S]. Beijing: China Water Power Press, 2020: 1-44 (in Chinese).

[7] 張雪才, 王正中, 孫丹霞, 等. 中美水工鋼閘門設計規范的對比與評價[J]. 水力發電學報, 2017, 36(3): 78-89. ZHANG X C, WANG Z Z, SUN D X, et al. Comparison and evaluation of design codes of hydraulic steel gates in China and America[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2017, 36(3): 78-89 (in Chinese).

[8] 王正中, 趙延鳳. 劉家峽水電站深孔弧門按雙向平面主框架分析計算的探討[J]. 水力發電, 1992, 18(7): 37, 41-44. WANG Z Z, ZHAO Y F. Calculation by two-way plane frame of deep hole arc gate in Liujiaxia Hydropower Station[J]. Water Power, 1992, 18(7): 37, 41-44 (in Chinese).

[9] 水電部四局設計院, 蘭州大學數力系. 弧形鋼閘門應力分析的有限元法[J]. 蘭州大學學報, 1977(1): 53-74. Design Institute of the Fourth Engineering Bureau of Ministry of water and electricity, Department of mathematics and mechanics, Lanzhou University. Finite element method for stress analysis of radial steel gate[J]. Journal of Lanzhou University, 1977(1): 53-74 (in Chinese).

[10] 張玉林, 樊恒鑫. 水工鋼閘門的有限元計算方法[J]. 西北大學學報: 自然科學版, 1978, 22(1): 27-35. ZHANG Y L, FAN H X. The finite element calculation method of hydraulic steel gate[J]. Journal of Northwest University: Natural Science Edition, 1978, 22(1): 27-35 (in Chinese).

[11] 金雅鶴, 丁江平, 周建方. 弧形鋼閘門安全度的檢測和評估[J]. 水利學報, 1991, 22(11): 47-53. JIN Y H, DING J P, ZHOU J F. Detection and evaluation of the safety of radial steel gate[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1991, 22(11): 47-53 (in Chinese).

[12] 朱方, 段克讓, 曹以南. 漫灣弧形閘門三維有限元應力分析[J]. 水力發電學報, 1993, 12(4): 22-32. ZHU F, DUAN K R, CAO Y N. Three dimensional finite element analysis of manwan radial gate[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 1993, 12(4): 22-32 (in Chinese).

[13] 郭桂禎. 平板閘門垂向流激振動特性與數值計算研究[D]. 天津: 天津大學, 2011: 1-108. GUO G Z. Researches on property and numerical calculation of flow-induced vertical vibration of plate gate[D]. Tianjin: Tianjin University, 2011: 1-108 (in Chinese).

[14] 奚肖亞, 劉海祥, 葉小強, 等. 劃子口河閘弧形鋼閘門三維有限元分析與安全評估[J]. 水利水運工程學報, 2012(5): 36-41.XI X Y, LIU H X, YE X Q, et al. Three dimensional finite element analysis and reliability of radial steel gate for Huazikou River sluice[J]. Hydro-Science and Engineering, 2012(5): 36-41 (in Chinese).

[15] 連子怡. 三支臂弧形鋼閘門靜動力特性研究[D]. 武漢: 武漢大學, 2017: 1-99. LIAN Z Y. Research on static and dynamic characteristics of three-arm radial gates[D]. Wuhan: Wuhan University, 2017: 1-99 (in Chinese).

[16] 康健, 冀振亞, 胡博, 等. 閘門結構強度有限元分析[J]. 水電站機電技術, 2019, 42(8): 22-24, 71. KANG J, JI Z Y, HU B, et al. Finite element analysis for structural strength of gate[J]. Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station, 2019, 42(8): 22-24, 71 (in Chinese).

[17] 顧功開, 徐棟棟, 李德. 烏東德水電站水工閘門動力安全評價[J]. 人民長江, 2020, 51(3): 136-142. GU G K, XU D D, LI D. Dynamic safety evaluation on hydraulic gate of Wudongde Hydropower Station[J]. Yangtze River, 2020, 51(3): 136-142 (in Chinese).

[18] 胡友安, 王孟. 水工鋼閘門數值模擬與工程實踐[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2010: 42-52. HU Y A, WANG M. Numerical simulation and engineering practice of hydraulic steel gate[M]. Beijing: China Water & Power Presss, 2010: 42-52 (in Chinese).

[19] 杜培文. 水工閘門結構分析[M]. 鄭州: 黃河水利出版社, 2018: 103-108. DU P W. Structural analysis of hydraulic gate[M]. Zhengzhou: The Yellow River Water Conservancy Press, 2018: 103-108 (in Chinese).

[20] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T33582— 2017 機械產品結構有限元力學分析通用規則[S]. 北京: 中國標準出版社, 2017: 1-14. General Administration of quality supervision, inspection and Quarantine of the people’s Republic of China. GB/T33582—2017 General principles of structural finite element analysis for mechanical products[S]. Beijing: China Standards Press, 2017: 1-14 (in Chinese).

[21] 中華人民共和國水利部. SL 226—98水利水電工程金屬結構報廢標準[S]. 北京: 中國水利水電出版社, 1999: 8-9. Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China. SL226—98 Standard for Abolition of Hydraulicand Hydropower Metal Structure[S]. Beijing: China Water & Power Press, 1999: 8-9 (in Chinese).

[22] 中華人民共和國水利部. 中華人民共和國水利行業標準: 水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程 SL 101—2014[S]. 北京: 中國水利水電出版社, 2014. Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China. Water Resources Standard (Irrigation) of the People’s Republic of China: Technical code for safety inspection of hydraulic steel gate and hoist machinery. SL 101—2014[S]. Beijing: China Water Power Press, 2014 (in Chinese).

APDL modeling method of hydraulic radial gate structure

ZHANG Xue-cai1,2, CHEN Li-ye1,2, WANG Zheng-zhong3

(1. Postdoctoral Research Station of Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou Henan 450003, China; 2. Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou Henan 450003, China; 3. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling Shaanxi 712100, China)

The purpose of this paper is to address the problems of unclear process, inefficient method, and low quality in establishing geometric model and finite element model of hydraulic radial gate structure in the process of finite element analysis. Using the APDL parametric language of the general finite element calculation software ANSYS, the specific process and corresponding APDL command were given for the rapid establishment of high-quality geometric model and finite element model of radial gate. This method can ensure the authenticity of geometric model, correctness of finite element model, appropriateness of boundary conditions and rationality of analysis results. As a result, the key technical problems in the process of finite element analysis of radial gate were solved, and the design quality of the gate was enhanced. Based on the parametric modeling, the relevant parameters in gate design can be accurately and rapidly modified, and the design efficiency of gate can be boosted. The proposed method can shed light on high-quality design and analysis of the same type of gate structures, and lay a technical foundation for improving and enriching the current gate design specifications.

radial gate; APDL; geometric modeling; finite element model; technological foundation

TV 14

10.11996/JG.j.2095-302X.2021020271

A

2095-302X(2021)02-0271-08

2020-09-26；

26 September，2020；

2020-10-27

27 October，2020

國家重點研發計劃項目(2017YFC0405103)；國家自然科學基金項目(51179164)；黃河設計公司博士后研究開發項目(2020BSHZL06)

National key RESEARCH and Development Programs (2017YFC0405103); NationalNaturalScienceFoundationofChina (51179164); Post Doctoral Research and Development Project of YREC (2020BSHZL06)

張雪才(1990–)，男，河南項城人，工程師，博士。主要研究方向為水工結構穩定及優化。E-mail：zxc1990@ nwsuaf.edu.cn

ZHANG Xue-cai (1990–), male, engineer, Ph.D. His main research interests cover the hydraulic structure is stable and optimized. E-mail：zxc1990@ nwsuaf.edu.cn