基于OptiStruct 某閘壩的雙扉門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究

王建青 梁 鵬 藍(lán)益華

杭州國(guó)電機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 杭州 310030

0 引言

隨著市民對(duì)周邊居住環(huán)境要求越來(lái)越高，城市內(nèi)河的綜合治理成為當(dāng)?shù)卣闹匾蝿?wù)，建設(shè)閘壩不僅可以調(diào)節(jié)水位、減輕城市內(nèi)澇，還可改善水環(huán)境、美化城市景觀。在水利河道閘壩工程中應(yīng)用較廣泛的是平面鋼閘門(mén)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、制作安裝及維護(hù)檢修方便、閘室短等優(yōu)點(diǎn)，但平板閘門(mén)的啟閉需要高大的啟閉排架，使整座建筑物與周?chē)h(huán)境不協(xié)調(diào)，影響景觀和環(huán)境[1]。雙扉門(mén)投資少，啟閉排架高度低，易融入周?chē)h(huán)境景觀，應(yīng)用越來(lái)越多。

雙扉門(mén)分為上扉門(mén)和下扉門(mén)，兩扇閘門(mén)分別在各自的工作門(mén)槽軌道里上下運(yùn)行[2]。上扉門(mén)平時(shí)主要放置于閘孔上方的鎖定梁上，使用頻率較小，只有當(dāng)水位超過(guò)下扉門(mén)門(mén)體高度時(shí)才從鎖定梁放下與下扉門(mén)閉合參與擋水任務(wù)。下扉門(mén)主要放置于閘室口門(mén)底坎上，主要作用是擋水、充水和泄洪。當(dāng)洪水水位過(guò)高需開(kāi)啟閘門(mén)泄洪時(shí)，上扉門(mén)與下扉門(mén)同時(shí)提起，承擔(dān)部分泄洪任務(wù)[3]。

到目前為止，對(duì)于雙扉門(mén)設(shè)計(jì)布置及應(yīng)用的文獻(xiàn)較多，研究閘門(mén)的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析研究較少。本文以某城市內(nèi)河綜合治理中的閘壩工程所選用雙扉門(mén)為研究對(duì)象，以Hypermesh14.0、OptiStruct 為前后處理軟件，分析了此工程中上下扉門(mén)門(mén)葉的靜力學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)模態(tài)特征，計(jì)算得出上下扉門(mén)在最大洪水位水壓下的位移、應(yīng)力數(shù)值和分布情況，并計(jì)算出雙扉門(mén)門(mén)葉前二十階的模態(tài)振型和特征值。

1 工程概況及扉門(mén)門(mén)葉設(shè)計(jì)

該閘站設(shè)計(jì)中兼顧擋水和通航功能，通航孔為單孔雙向，單孔凈寬為13 m，規(guī)模為Ⅶ級(jí)（50 t 級(jí)），最高通航水位為10.0 m，最低通航水位為9.5 m。閘站主要作用為調(diào)節(jié)水位、改善水環(huán)境、減輕城市內(nèi)澇，建成后將內(nèi)城河防洪標(biāo)準(zhǔn)提高至20 a 一遇。閘門(mén)選用雙扉門(mén)，上下扉門(mén)在各自門(mén)槽中工作。雙扉門(mén)主要由上扉門(mén)、下扉門(mén)、下扉門(mén)輥輪、側(cè)輪、上扉門(mén)滑塊、密封機(jī)構(gòu)組件、啟閉機(jī)、基礎(chǔ)埋件及閘房等組成，總體布置簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 總體布置簡(jiǎn)圖

上扉門(mén)閘門(mén)尺寸為13 570 mm×6 100 mm×1 280 mm（寬×高×厚），門(mén)葉為薄壁實(shí)腹式焊接構(gòu)件，主材Q345B，主橫梁為2 根 300 mm×1 280 mm×20 mm×16 mm 變截面魚(yú)腹箱形焊接梁，左右邊梁為400 mm（600 mm）×520 mm×30 mm×16 mm 不等邊箱形焊接梁，頂梁、底梁為200 mm×520 mm×30 mm×16 mm 工 字 鋼 焊 接 梁， 豎 梁 為3 根300 mm×1 280 mm×20 mm×16 mm 變截面工字鋼焊接梁，其余次梁均采用28a 槽鋼，面板置于下游側(cè)，厚度為14 mm。面板側(cè)布置底止水，邊梁側(cè)布置側(cè)止水，側(cè)止水和底止水均采用P 形橡皮。上扉閘門(mén)支承采用8 塊自潤(rùn)滑滑塊，閘門(mén)側(cè)向限位采用側(cè)輪。

下扉門(mén)閘門(mén)尺寸為13 320 mm×5 500 mm×1 818 mm（寬×高×厚）。門(mén)葉為薄壁實(shí)腹式雙主梁焊接構(gòu)件，主材Q345B，主橫梁為2 根300 mm×1 620 mm×20 mm×16 mm 變截面魚(yú)腹箱形焊接梁，左右岸邊梁為400 mm(600 mm)×520 mm×30 mm×16 mm 不等邊箱形焊接梁，頂梁、底梁為200 mm×520 mm×30 mm×16 mm 工字鋼焊接梁，豎梁為3 根300 mm×1 620 mm×20 mm×16 mm 變截面工字鋼焊接梁，其余次梁均采用28a 槽鋼， 面板置于上游側(cè)，厚度為14 mm。面板側(cè)布置頂止水、底止水，邊梁側(cè)布置反向側(cè)止水，頂止水和側(cè)止水均采用P 形橡皮，底止水采用2 道I30 止水橡皮。下扉門(mén)支承采用兩側(cè)各4 只Φ600 mm 鑄鋼滾輪，軸承采用聚四氟纖維金屬基自潤(rùn)滑軸承，滾輪兼作反向限位裝置；閘門(mén)側(cè)向限位采用側(cè)輪。

上下扉門(mén)啟閉均采用雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)，上扉門(mén)選用QP-2×250 kN-8 m 手電兩用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，啟門(mén)速度為1.5 m/min，閉門(mén)速度為1.5 m/min，最大工作行程為8 m，電機(jī)功率為20 kW。下扉門(mén)選用QP-2×400 kN-13 m 手電兩用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，啟門(mén)速度為1.5 m/min，閉門(mén)速度為1.5 m/min，最大工作行程為13 m，電機(jī)功率為 30 kW。

2 分析研究

2.1 兩門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)建模

以Hypermesh14.0 為建模軟件，根據(jù)扉門(mén)門(mén)葉尺寸建立模型并劃分有限元網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)采用Pshell 殼單元，材料選Q345B，類(lèi)型卡片選Mat1 類(lèi)型，泊松比為0.3，密度為78.5 kN/m3，彈性模量為210 000 MPa，剪切模量為81 000 MPa，上扉門(mén)葉共劃分97 124 個(gè)單元，下扉門(mén)葉共劃分102 119 個(gè)單元。上下扉門(mén)模型及有限元網(wǎng)格如圖2 所示。

圖2 上下扉門(mén)模型及有限元網(wǎng)格

2.2 上下扉門(mén)門(mén)葉靜力學(xué)分析

1）上扉門(mén)門(mén)葉靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析時(shí)選用OptiStruct 作為后處理求解器。以邊梁外側(cè)下端點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)方向與整體坐標(biāo)系一致，建立新坐標(biāo)系，以最大洪水位的靜水壓力為載荷，選擇水面下所有網(wǎng)格面單元，以公式Equation ＝9.8×(5 500-z)×10-6加Pressures 載荷，系統(tǒng)坐標(biāo)系選用新建坐標(biāo)系，約束則分別選擇滑塊處底板與門(mén)葉處節(jié)點(diǎn)y＝0、側(cè)輪底板與門(mén)葉處節(jié)點(diǎn)x＝0、底止水面門(mén)葉上的節(jié)點(diǎn)z＝0，求解靜力學(xué)特征。

門(mén)葉靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果顯示，應(yīng)變位移最大處為底梁中間，且由中間向兩側(cè)由下側(cè)向上側(cè)逐漸減小。應(yīng)力主要由2 根主橫梁承擔(dān)，下端主橫梁承擔(dān)更多，主橫梁與邊梁連接處有應(yīng)力集中表現(xiàn)，上扉最大位移為10.1 mm，跨度位移比為1 309，下端主橫梁與邊梁連接處出現(xiàn)最大應(yīng)力為109 MPa，主橫梁中間的應(yīng)力為97 MPa，均小于選用材料Q345B 的許用應(yīng)力225 MPa，上扉門(mén)應(yīng)力和應(yīng)變位移分布云圖如圖3 所示。

圖3 上扉門(mén)應(yīng)力和應(yīng)變位移分布云圖

2）下扉門(mén)門(mén)葉靜力學(xué)分析

下門(mén)門(mén)葉靜力學(xué)分析采用與上扉門(mén)同樣后處理器。以邊梁外側(cè)下端點(diǎn)，坐標(biāo)方向與整體坐標(biāo)系一致，建立新坐標(biāo)系，上游側(cè)以最大洪水位的靜水壓力為載荷，下游側(cè)以最低水位的靜水水壓為載荷，選擇所有與水體接觸的網(wǎng)格面單元，上下游側(cè)分別以公式Equation ＝9.8×（10 800-z）×10-6，Equation＝9.8×（4 500-z）×10-6加Pressures 載荷，系統(tǒng)坐標(biāo)以新坐標(biāo)系參考點(diǎn)，約束則分別選擇滑塊處底板與門(mén)葉處節(jié)點(diǎn)y＝0、側(cè)輪底板與門(mén)葉處節(jié)點(diǎn)x＝0、底止水面門(mén)葉上節(jié)點(diǎn)z＝0，求解靜力學(xué)特征。

門(mén)葉靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果顯示，應(yīng)變位移最大處為頂梁中間，且由中間向兩側(cè)由上側(cè)向下側(cè)逐漸減小。應(yīng)力主要由兩條主橫梁承擔(dān)，上端主橫梁承擔(dān)更多，主橫梁與邊梁連接處有應(yīng)力集中表現(xiàn)，上扉最大位移為11.7 mm，跨度位移比為1 152，，上端主橫梁與邊梁連接處出現(xiàn)最大應(yīng)力為189 MPa，主橫梁中間的應(yīng)力為152 MPa 左右,均小于選用材料Q345B 的許用應(yīng)力225 MPa，下扉門(mén)應(yīng)力和應(yīng)變位移分布云圖如圖4 所示。

圖4 下扉門(mén)應(yīng)力和應(yīng)變位移分布云圖

2.3 上下扉門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)模態(tài)特性分析

1）上扉門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

模態(tài)分析選擇與靜力學(xué)相同的前后處理器和約束，并建立一個(gè)Load Collectors ，Card Image 設(shè)定為EiGRL，在0 ～1 000 Hz 內(nèi)求解前二十階模態(tài)振型及特征值。計(jì)算結(jié)果顯示，振型表現(xiàn)為第一階XY平面內(nèi)頂梁振動(dòng)，第二階底梁及下主橫梁XY平面內(nèi)振動(dòng)，第三階XY平面內(nèi)頂梁前后擾動(dòng)，第四階沿Z軸上下振動(dòng)，第五階及高階模態(tài)為面板振動(dòng)，前二十階模態(tài)特征值如表1 所示，前六階模態(tài)振型如圖5 所示。

表1 上扉門(mén)特征值 Hz

圖5 上扉門(mén)第一階～第六階振型圖

2）下扉門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

下扉門(mén)模態(tài)分析與上扉門(mén)一樣，也是求解0 ～1 000 Hz 內(nèi)前二十階振型和特征值，前六階振型和特征值如表2 和圖6 所示。計(jì)算結(jié)果顯示，振型表現(xiàn)為第一階XY平面內(nèi)頂梁振動(dòng)，第二階底梁及下主橫梁XY平面內(nèi)振動(dòng)，第三階及后階表現(xiàn)為主橫梁、豎板的腹板振動(dòng)。前二十階模態(tài)特征值如表2 所示，前六階模態(tài)振型如圖6 所示。

表2 下扉門(mén)特征值 Hz

圖6 下扉門(mén)第一階～第六階振型圖

2.4 分析結(jié)果小結(jié)

上下扉門(mén)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分別為各自的兩根主橫梁承擔(dān)，在主橫梁與邊梁連接處出現(xiàn)最大應(yīng)力，上下扉門(mén)應(yīng)變位移由中間向兩邊逐漸變小，上下扉門(mén)門(mén)葉剛度和強(qiáng)度都滿(mǎn)足工作要求。上下扉門(mén)特征值在15 ～70 Hz 中頻段，下扉門(mén)前六階特征值在21 ～39 Hz，均避開(kāi)了水流脈動(dòng)頻率區(qū)段[4]，故上下扉門(mén)不會(huì)發(fā)生共振情況。振型上前兩階主要表現(xiàn)在頂梁或底梁的振動(dòng)，第三階及更高階振型表現(xiàn)為主橫梁、豎梁腹板及面板的振動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了某內(nèi)河整治工程中的雙扉門(mén)設(shè)計(jì)，并以Hyermesh14.0、OptiStruct 作為前后處理軟件，分析了上下扉門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況以及動(dòng)力學(xué)模態(tài)特征。靜力學(xué)分析結(jié)果顯示，應(yīng)變和應(yīng)力都在材料的許用范圍內(nèi)，剛度強(qiáng)度滿(mǎn)足工作要求，應(yīng)變較大處為上扉門(mén)位于頂梁中間，下扉在底梁中間位置，應(yīng)變分布規(guī)律為上扉門(mén)由最大位置向下由中間向兩邊逐漸減小，下扉門(mén)由最大位置向上由中間向兩邊逐漸減小。最大應(yīng)力在邊梁和主橫梁連接處，上下扉門(mén)豎梁應(yīng)力均較小，為可設(shè)計(jì)優(yōu)化的位置。上下扉門(mén)動(dòng)力學(xué)約束模態(tài)分析得出前六階特征值的范圍為15 ～60 Hz，避開(kāi)了水流脈動(dòng)的頻率區(qū)域，故上下扉門(mén)門(mén)葉不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。