基于Ansys 的淮安三線船閘人字門靜力分析計算

趙永生,謝智雄

（河海大學機電工程學院，江蘇常州,213022）

0 引言

船閘人字門的靜力特性分析方法通常包括兩種：平面算法和三維有限元算法。平面算法是將人字門各部件如主橫梁、豎向主梁簡化為簡支梁，并把載荷平均分布在各個面上的一種平面的算法；有限元算法是將人字門劃分成微小的單元體，從空間的角度對微小單元體進行靜力特性分析的數值分析方法，是能近似的解決廣泛實際工程問題的算法。

針對京杭運河上淮安三線船閘人字門進行有限元算法靜力特性分析研究，閘門尺寸：高度8.5m，寬度為13.584m，順河向寬度為1.36m，計算中設計的最高水頭為7.1m。本文以淮安三線工程為實例，建立了人字門的有限元模型，應用Ansys 軟件對其靜力特性進行了研究，并與平面算法進行了比較。

1 人字門有限元模型的建立

(1) 坐標系的建立

選擇x 軸沿主橫梁的軸向方向，指向人字門斜接柱；y 軸垂直于主橫梁方向，指向人字門上游面板；z 軸豎直向上，零點位于底橫梁旋轉中心上。

(2)人字門結構簡圖及其有限元模型圖

本算例人字門的孔口寬為23m，該人字門是一個空間結構體系，主要構件包括7 根主橫梁、5 根豎向主梁、2 個背拉桿和面板，材料選用Q235。在每兩個縱梁之間平均分布著兩個T 字梁，起到加固面板剛度的作用。針對人字門上游閘門進行分析，人字門結構簡圖如圖1 所示、以及船閘人字門有限元模型如圖2 所示。

圖1 人字門結構簡圖

圖2 人字門有限元模型

(3) 施加載荷及約束

人字門的面板、主橫梁腹板以及豎向主梁等面積都比較大，因此按梯度加載，載荷的大小隨z 坐標的增大而減小，梯度為-9.8N/mm3，約束條件加在人字門的兩個端面上：全約束。

2 有限元算法、平面算法比較

2.1 人字門各部件的應力分析

2.1.1 主橫梁腹板的應力分析

表1 主橫梁腹板的最大應力值(單位:Mpa)

由表1 中可以得到，1 號主橫梁腹板的應力最小，這是由于1 號主橫梁腹板所在的位置位于水面以上，并沒有直接受到水壓力的作用，而是受到水下面板以及豎向主梁等傳遞來的壓力的影響。z 坐標數值越小，水壓力就越大，2 號至7 號主橫梁腹板的應力也越來越大。通過有限元算法對各主橫梁腹板應力情況做具體分析，并且計算的主橫梁腹板的應力值比平面算法計算的應力值要小，例如：通過平面算法計算出來的3 號主橫梁腹板的最大應力值為70.3MPa，而通過有限元算法計算出來的應力值為64.8MPa。

2.1.2 豎向主梁應力分析

為觀察人字門豎向主梁的應力情況，圖3 繪出1 到5 號豎向主梁與3 號主橫梁、4 號主橫梁的簡約剖視圖。a、c、e、g、i為位于主橫梁和豎向縱梁的的交線并在豎梁上的節點，豎梁上其他節點b、d、f、h、j 為豎向主梁的中點位置（豎向主梁與主橫梁的編號如圖1），表2 分別給出了圖3 中各點的應力值。

圖3 豎梁上各點的編號

由表2 中的數據可以得到，豎向主梁的最大應力值一般都出現在豎向主梁與主橫梁相交處及節點上，這是因為這些節點是連接主橫梁、豎向主梁和面板的交點，剛度較強，受到面板上水壓力影響大，受到的作用力也就變大，因此應力也比較大。而平面算法是把相交部分簡化為簡支梁，受到的水壓力來自于兩主橫梁之間，相當于豎向主梁上的載荷是平均分配的，面板載荷被人為的分配，因此平面算法計算的相同節點的應力值要比有限元算法計算的應力值小。

2.2 人字門結構變形分析

應用有限元算法，在Ansys 的結果變形圖中可以清晰地看到主橫梁、豎向主梁、面板的最大變形以及發生最大變形的點。圖4、圖5、圖6 分別給出了人字門第3 根主橫梁、第3 根豎向主梁以及面板的結構變形圖。由于水壓力的影響，主橫梁、豎向主梁、面板均發生較大的位移，并產生扭轉變形，使得各部件偏離了原來的平面，并且各部件的變形并不完全一樣。其中主橫梁腹板的變形最大，7 根主橫梁腹板的最大位移和最大轉角位移如表3所示。

圖4 主橫梁的變形圖

圖5 豎向縱梁的變形圖

圖6 人字門面板的變形圖

《規范》中規定，人字門主橫梁中的最大撓度≤1/600。由表3可知，主橫梁腹板的最大位移為10mm，該人字門主橫梁的長度為13.584m,撓度最大值為10/13584 ＜1/600，因此有限元算法得出人字門的位移變形是符合要求的，并且撓度大小也符合。從表3 中可以得出主橫梁腹板的位移是隨著水壓力的增大表現出增大趨勢，這是因為z 坐標越小，作用在人字門上的水壓力就越大，因此變形就更突出。除了線位移變形外，主橫梁腹板還存在轉角位移，7 號主橫梁腹板的變形最為明顯，位移與轉角位移值最大。

2.3 兩種算法產生差異的原因

表2 豎向主梁的應力(單位:Mpa)

表3 主橫梁腹板的最大位移量（mm）和最大轉角位移（arc）

兩種算法本身就存在著差異，原因也是多方面的，但主要在于以下兩個方面：

(1) 在靜壓力的計算時，兩種算法對水壓力的處理方式不同。水壓力應為一梯度載荷，有限元算法是將水壓力處理為梯度函數，將載荷逐級加載在已劃分好的有限元模型上。而平面算法是把水壓力簡化為為集中載荷，作用在人字門主橫梁上，則計算出來的應力值要大于有限元算法的應力值。

(2) 計算人字門各部件的應力時，兩種算法對考慮人字門各結構部件之間的影響不同。有限元算法把人字門劃分成很小的單元體，又考慮了各節點的作用力，把人字門作為一個空間結構來計算分析；平面算法在計算各結構的的應力時，代入的都是最大應力點的應力值，并沒有考慮各構件之間的聯系，比如人為的忽略了背拉桿能抵消一部分應力，因此計算出來的各主橫梁的最大應力大于有限元算法的計算值。

從上面的分析可知，有限元算法是一種更高效、更常用的數值分析算法。

3 結術語

(2) 有限元算法可以分析人字門的位移和扭轉變形情況，而平面算法無法分析。

(3) 有限元算法是將人字門作為空間結構處理，來分析計算它的靜力特性，并把計算結果通過Ansys 更形象的表現出來；而平面算法的計算結果是平面的，不能把握人字門的空間特性。

以上說明了有限元算法對閘門分析的優越性。

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