孫世威

關(guān)鍵詞： ABAQUS 鉸鏈 閘首 應力

采用鉸鏈單元對閘首設(shè)備進行全過程動態(tài)分析，得到閘首設(shè)備運行全過程應力位移情況。同時采用離散剛體和接觸對部分不關(guān)注結(jié)構(gòu)進行建模，避免了常規(guī)約束帶來的應力集中，更好地判斷閘首結(jié)構(gòu)運行全過程中應力變化[1-2]。

1 工程背景

某水電站升船機閘首結(jié)構(gòu)為承船廂的配套對接密封設(shè)施，要求擋水高度為12.4 m。在擋水的同時，該閘首需滿足兩種運行工況，一種是鋼絲繩吊掛，一種是閘首自身鎖定機構(gòu)鎖定在軌道上，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 有限元模型建立

采用Solidworks 建立閘首結(jié)構(gòu)的三維簡化模型，并采用Hypermesh 對模型進行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。由于該閘首結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，故該文只建立1/2 模型，閘首共采用324 830 個單元，單元類型采用S4R 殼單元，C3D8I 實體單元，單元尺寸為70 mm，單元質(zhì)量如圖2 所示。

模型采用t、mm、s、N、MPa、N-mm 單位制。其中材料參數(shù)為：密度ρ =7.85×10?9 t/mm3，彈性模量E=2.08×105、泊松比0.3，重力加速度為g=9.8×103 t/s2，同時經(jīng)查詢圖紙，該橋機主梁材料為Q355C，計算中采用塑性階段曲線，如圖3 所示。

閘首結(jié)構(gòu)中臥倒小門上的密封橡膠材料根據(jù)DL/T5018 附錄N，取邵氏硬度60，并采用Mooney-rivlin 模型[3-4]對橡膠進行模擬，參數(shù)如表1 所示。

3 計算工況及邊界條件

閘首結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計工況為：LC1 為鋼絲繩將閘首工作大門吊起擋水狀態(tài)；LC2 為閘首工作大門靠兩側(cè)鎖定鎖住擋水狀態(tài)；LC3 為閘首工作大門無水狀態(tài)下關(guān)門過程。分析中考慮的主要荷載與約束列于表2和表3。

各計算工況下，荷載與約束組合列于表4。

4 計算結(jié)果

LC1 工況下應力及位移云圖如圖4 所示。

LC2 工況下應力及位移云圖如圖5 所示。

LC3 工況下應力及位移云圖如圖6 所示。

臥倒小門最后關(guān)閉轉(zhuǎn)角為90°時，密封橡膠的壓力云圖如圖7 所示。

從圖7 可看出，臥倒小門在剛剛關(guān)到位時，密封橡膠上的壓力比較符合常規(guī)要求，在底部壓縮量較大，上部較小。承受水壓后，受壓部位集中到橡膠側(cè)邊，底部橡膠反而沒有壓縮量，會導致漏水。因此，在實際安裝調(diào)試時，橡膠底部部位經(jīng)常會被安裝單位墊起以達到止水目的。

在建模計算時，在模型相關(guān)邊界約束自由度方面以離散剛體模擬不關(guān)心的設(shè)施，然后建立接觸關(guān)系，這樣就避免了自由度約束帶來的應力集中[5-7]。圖8 是閘首主輪處以接觸代替SPC 約束的應力云圖。

5 結(jié)語

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中建議靈活采用鉸鏈單元，這樣可分析設(shè)備運行全過程的應力變化。同時由于設(shè)計階段對于設(shè)備重點區(qū)域不清晰，通常會對結(jié)構(gòu)全模型區(qū)域應力異常點都比較關(guān)心，因此，建議盡量采用離散剛體和接觸關(guān)系代替通常的SPC 接觸，這樣可避免SPC 約束帶來的應力集中，導致設(shè)計誤判。