一種山形自閉式水封的有限元仿真設計

楊斌 周雨微 王中發 劉禮華

摘 要：充壓伸縮式水封的機械加壓方式帶來閘門結構復雜和不耐久的缺點，為克服這一缺點，設計了一種依靠水封自身大變形主動封水的山形自閉式水封。該山形水封設計的關鍵是在設計階段對各種工況下水封的變形進行準確預計。基于水封橡膠材料的非線性張量本構關系、幾何大變形的非線性特征、接觸非線性特征、連續介質基本計算原理對某山形自閉式水封進行了仿真計算，論述了山形自閉式水封的封水原理、封水規律和封水有效水頭。該山形自閉式水封的應用，可大大削減閘門充壓水封裝置的建造成本，便于工程維護，耐久性較好，具有較大的推廣價值。

關鍵詞：山形自閉式水封；張量；庫水壓力；背壓；仿真計算；封頭接觸應力

中圖分類號：TV131.6 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.025

引用格式：楊斌，周雨微，王中發，等.一種山形自閉式水封的有限元仿真設計[J].人民黃河，2022，44（1）：120-123.

FiniteElementSimulationDesignofaMountainTypeSelf ClosingWaterSeal

YANGBin1，2，ZHOUYuwei2，WANGZhongfa2，LIULihua1

（1.SchoolofCivil&ArchitecturalEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，China；2.HubeiWaterResourcesTechnicalCollege，Wuhan430070，China）

Abstract：Themechanicalpressuremodeofpressureexpansionwatersealbringstheshortcomingsofcomplexityandnon durabilityofgate structure.Inordertoovercomethesedisadvantages，akindofmountaintypeself closingwatersealwhichreliedonthelargedeformationofit selftosealwaterwasinnovated.Thekeytothedesignofthemountaintypewatersealwastoaccuratelypredictthedeformationofthewater sealundervariousworkingconditionsinthedesignstage.Basedonthenonlineartensorconstitutiverelationofwatersealrubbermaterial，the nonlinearcharacteristicsofgeometriclargedeformation，thecontactnonlinearcharacteristicsandthebasiccalculationprincipleofcontinuous medium，thesimulationcalculationofamountaintypeself closingwatersealwascarriedout.Thewatersealingprinciple，watersealinglaw andeffectivewaterheadtosealingwaterofmountaintypeself closingwatersealwerediscussed.Theestablishmentofthetypewatersealcan greatlyreducetheconstructioncostofgatefillingwatersealdevice，facilitateengineeringmaintenance，improvedurabilityandhasgreatap plicationvalue.

Keywords：mountaintypeself closingwaterseal；tensor；reservoirpressure；backpressure；simulationcalculation；headcontactstress

1 引 言

充壓伸縮式水封是高壓閘門的一種新型水封，目前采用氣壓型式，是在水封座板下連通一根充壓氣管通過機械加壓使封頭外伸與止水面板接觸頂緊形成止水[1]。充氣加壓方式需要在閘門門體中設置加壓設備和管道，使得閘門結構非常復雜，閘門經常啟閉振動會使設備和管道疲勞，需對設備和管道經常進行維護與更換，費工、不經濟。因此，考慮設計一種自閉式水封，取消加壓設備和管道，直接利用庫水壓力水頭作用封水，這樣形成一種簡便的止水背壓封水，可使閘門結構變得簡單。

自閉式水封是完全利用水封橡膠材料的大變形進行自閉封水，不借助任何外元件和設備，在使用中沒有機會人為調節背壓對水封變形進行干預。這就要求在設計階段對水封大變形提前作出準確判斷和精確計算，因此水封大變形的仿真計算成為這項技術的重點。設計優良的自閉式水封可安裝在閘門四周作為側止水，也可安裝在閘門板面上作為拍門的正止水。

2 山形自閉式水封仿真計算基本理論

自閉式水封（見圖1）通常采用山形斷面，其橡膠材料大變形涉及材料、幾何、接觸三重非線性問題[2-7]。

3 山形自閉式水封斷面設計

如前所述，自閉式水封在各使用工況下無法調節背部充壓（即庫水壓力）從而調整水封變形形態，因此在水封設計時必須對其在使用中的變形形態有準確的預計。這種預計由仿真計算來實現，關注的計算指標是封頭的接觸寬度和接觸應力（水封支臂與座板和壓板的接觸應力也要保證不漏水）[15-17]。封頭在庫水壓力背推作用下外伸，與止水面板（止水對偶面）的接觸應力還要大于背推的壓力（也就是庫水壓力），此完全依賴于橡膠水封的變形。要實現期望的水封變形，需要通過大量試算，找出水封最合適的斷面，這一過程便是自閉式水封設計。

以某一山形水封為例（見圖2），說明自閉式水封的仿真設計，該斷面是通過多次試算后選擇的最合理斷面。通過材料試驗測定的橡膠材料Ogden應變能函數模型參數見表1[13]，橡膠和鋼板的接觸，法向取非嵌入，切向采用罰函數，罰數值取0.5[18-19]。通過大變形有限元仿真計算得到水密性仿真計算結果見表2。

由表2可知，當止水面板與封頭的初始間隙量為25mm和20mm時，山形自閉式水封基本無法封水；當止水面板與封頭的初始間隙量為15mm時，水封從1.5MPa水壓開始封水，水封能封住高壓水，不能封住低壓水，原因是止水面板與封頭初始間隙量過大（還需考慮接觸磨損）；隨著止水面板與封頭的初始間隙量減小，水封開始逐漸封住低壓水；當間隙量為0mm時，水封能封住所有水頭下的庫水，封頭持續封水保壓，形成穩固封閉。封水規律見圖3，可見接觸應力與背壓（庫水壓力等于背壓）為線性關系，庫水壓力越大接觸應力越大，并且接觸應力一直大于庫水壓力。該山形自閉式水封是很好的高壓止水元件，在最大壓力工況下（即2.0MPa水壓，間隙量為0mm），水封橡膠材料第一主應力范圍為-7.48～1.35MPa（見圖4），小于水封橡膠材料強度（10MPa），水封材料不會因開裂而漏水。

4 結 語

自閉式水封的便捷性和耐久性使其將以獨特的應用優勢取代目前采用的機械充壓伸縮式水封。本文通過仿真計算闡述了一種山形自閉式水封的封水原理、封水規律和封水有效庫水壓力范圍（水封支臂的水密性不作贅述），說明了山形自閉式水封設計技術具有可行性，自閉式水封應盡快推廣應用到實際工程中去。通過先進的仿真計算技術可以設計出材料構成不單一、斷面形狀豐富的山形自閉式水封元件，以適應各種水利工程閘門止水的需求。

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【責任編輯 張華巖】