基于有限元的閘門變形計算分析研究

司紅云,陳 蕾

(1.揚州大學建筑科學與工程學院,江蘇 揚州225009;2.揚州大學 水利科學與工程學院,江蘇揚州 225009)

0 前 言

平板閘門是一種典型的空間薄壁結構體系,由一系列板、殼、梁、桿等構件組合而成[1]。正常工作時,閘門所承受荷載將通過各構件的相互傳遞來共同承擔,面板、主梁、隔板等將發(fā)生彎曲、軸向、扭轉、剪切等組合變形,因此計算模型的選擇必須考慮到各構件的幾何性質、變形特征和受力方式以及相互作用關系等,以正確反映出閘門的整體作用以及各構件的實際工作狀態(tài)。

1 有限元計算原理

對結構進行有限元法分析時,首先進行結構離散化,將計算區(qū)域劃分有限個單元,首先選擇單元形態(tài);構造單元位移函數(shù),建立單元的等效結點荷載列陣、幾何矩陣、彈性矩陣和單元剛度陣等[2];由單位剛度陣集合為整體剛度矩陣,單元的等效節(jié)點荷載列陣集合成整體結點荷載列陣,并求解得到結構的整體結點位移列陣;最后從整體結點位移列陣中取出單元的結點位移列陣,從而求得單元應力。

首先對平面鋼閘門結構進行有限元離散,整個平面鋼閘門結構離散成八節(jié)點六面體等參單元。八節(jié)點六面體單元為空間索氏族單元,是由標準化坐標系中的立方體單元通過等參變換得到的。八節(jié)點立方體單元的自由度為24位,位移插值模式為[3]:

形函數(shù)Ni表達式為

求出單元的位移函數(shù),進而求出單元的應變矩陣{ε}=[B]{δ}、應力矩陣{σ}=[S]{δ}e和剛度矩陣[4]。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 單元的劃分

根據(jù)閘門結構形式和受力特點,將閘門面板、小橫梁、主橫梁、縱梁、邊柱等離散為板單元,縱向桁架腹桿、下弦桿及背拉桿離散為桿單元,主輪輪軸離散為梁單元[5]。……