升船機承船廂結構有限元分析研究

金龍，李宜燃，王敏

（杭州國電機械設計研究院有限公司，浙江杭州310030）

0 引言

大型升船機是水利水電工程中的重要通航建筑物，其主要作用是為客貨輪和特種船舶提供快速過壩通道。對于大升程、大噸位的升船機，國內外主要有齒輪齒條爬升式和鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升式兩種形式。齒輪齒條爬升式升船機有更高的安全可靠性，但其設計和建造更為復雜、建設成本高且國內還沒有相關的設計建造經驗。目前，國內僅三峽升船機采用這種形式，且處于設計施工階段［1-2］。

國內從上世紀80年代設計建造的巖灘升船機起，已建成了多座鋼絲繩卷垂直提升式升船機，包括入水式和全平衡式，積累了大量工程實踐經驗及數據。入水式升船機承船廂由大量交叉連接的筋板焊接而成，王晉媛，石端偉等已對其進行了有限元分析研究。而全平衡式升船機承船廂不需要進入水體中，使用大量的箱型結構以保證其剛度，張志強、鮑務均等已對其進行了研究。本課題的烏江沙沱升船機即為最大的全平衡式在建升船機。由于其提升重量為迄今為止最大的，其結構和受力情況復雜程度也幾何倍數增加。為確保其結構的安全性，對其進行有限元分析研究十分有必要［3-5］。

烏江沙沱升船機主體部分由上下閘首、塔柱、承船廂、機房、液壓調平裝置、頂緊裝置鎖定裝置、平衡重系統級主提升裝置組成。為了全面了解承船廂在各種工況下的應力分布、變形趨勢及整體的剛度，確保升船機平穩可靠運行，本研究利用有限元軟件對承船廂進行力學分析，對承船廂結構的剛度、強度及穩定性作出評估［6］。研究的主要內容包括：不同工況下承船廂整體的應力與應變；承船廂與頂緊機構、導向機構聯接端面的應力和應變；吊耳板處的應力和應變；承船廂門欄與臥倒門聯接處的應力與應變。同時根據計算結果設計承船廂應力和變形的觀測方法。

1 建模建立

1.1 承船廂結構的主要特征

承船廂為一開口薄壁鋼結構，其斷面圖如圖1所示，有效水體尺寸為56 m×12 m×3.2 m，外形尺寸為70 m×16 m×7.6 m，設計載水總重為2 300 t。承船廂兩端廂頭部分為臥倒門槽和門欄，為滿足其剛度要求，設計多組箱型梁作為支撐。左、右兩側的箱型薄壁鋼結構為主縱梁，內部布置隔板及角鋼以加強其剛度。主縱梁貫穿整個承船廂，為承船廂的主要承重構件。處于承船廂中部的平臺底下布置相互垂直的主橫梁和次縱梁，其上鋪12 mm鋼板，為升船機起升船只時船只停靠的平臺（下面簡稱主平臺）。

圖1 承船廂結構斷面示意圖

從組成結構上來看，采用有限元方法按整體空間結構體系計算時，其有限元計算模型大致可分為以下兩種：

（1）板梁結構。面板、門欄及臥倒門槽部分用板單元進行模擬；主橫梁、主縱梁中間部分、箱型梁，及角鋼用梁單元進行模擬。

（2）空間薄壁結構。將構成承船廂的所有結構（包括鋪板、主縱梁、主橫梁、箱型梁、門欄、吊耳及各種翼板）均采用板單元進行模擬。

從以上2種計算模型來看，板梁結構模型較為精簡，做簡化處理時要記入一點的誤差。在早期進行承船廂有限元分析時，由于受計算條件所限，多采用該模型；空間薄壁結構模型未對承船廂結構進行過多的簡化，保留了原來問題的復雜性，計算結果更為精確，但計算量也會更大。隨著計算機硬件計算及有限元分析軟件的不斷發展和完善，計算條件已經大為改善，因而本研究采用空間薄壁結構模型對承船廂進行模擬分析。

1.2 承船廂建模

由于承船箱的金屬結構部分相對于前后、左右兩中間面是完全對稱的，本研究對有限元模型采用1/4對稱建模，以降低建模難度和計算量。本次有限元分析先用hypermesh前處理軟件用板單元建立承船廂的三維模型，1/4承船廂模型如圖2所示。求解器及后處理都在ANSYS軟件中進行。

圖2 hypermesh中1/4承船廂模型

本研究利用其強大網格劃分功能承船廂進行手動網格劃分，將吊耳，上下平臺與主縱梁的連接處等關鍵部分進行網格細化，并通過控制雅克比值來控制網格的質量，共劃分85×105個網格。模型的板單元選用shell181，對不同厚度的鋼板賦不同的實常數以表示其厚度。其長度單位為mm；力的單位為N；加速度的單位為m/s2；質量單位為tonne。材料的彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3；鋼材的密度取7.85×10-9tonne/mm3。

1.3 工況及約束條件

承船廂的正常工作水位為（2.5±0.2）m，本次分析為確保分析結果安全可靠，計算時將水位設為滿箱極限水位3.2 m，承船廂各組件都處于最大應力和應變狀態。承船廂內水的壓力加載如下：

（1）承船廂側壁的根據水深加載豎直方向的梯度壓力；

（2）主平臺和上平臺也由水深確定其壓力；

（3）臥倒門均攤到門欄上的里加上門欄自身受到的水梯度壓力為加載到門欄上的力；

根據設計要求承船廂向上的最大向上的加速度為0.4 m/s2，合并承船廂自重設方向向下，大小為10.2 m/s2的加速度。

1/4的承船廂上共有20個鋼絲繩吊耳，其鋼絲繩分別通過平衡滑輪、安全卷筒及提升卷筒牽引，其分布如圖3所示。

圖3 各約束位置示意圖

平衡滑輪鋼絲繩另一端懸掛固定重量的配重箱以平衡承船廂的重量，因而在平衡滑輪鋼絲繩吊耳上的力大小固定，方向豎直向上。安全卷筒及提升卷筒在承船廂滿載的情況下都處于制動器制動狀態，因而其鋼絲繩吊耳只是在Y方向為固定約束，其余各自由度釋放。各約束具體情況如表1所示。

表1 承船廂各約束情況

2 計算結果分析及驗證方法

2.1 承船廂有限元計算結果及分析

基于上述約束，經過有限元計算分析，本研究得到了承船廂總體的應力和位移分布云圖。由于其結構和受力的復雜，位移變形和應力分布也是復雜的。主要的位移特點和應力分布結果如下所述：

（1）承船廂的總體位移云圖如圖4所示。其最大位移點位于承船廂主平臺的中間位置，大小為13.09 mm，方向為豎直向下。可算出其主橫梁和主縱梁的最大撓度值與跨度比分別為1/1 453和1/5 344，小于1/750和1/1 000控制值，滿足了設計的要求。

（2）承船廂中央平臺主要受到水的壓力及自重中部向下彎曲，帶動主縱梁向內彎曲，主縱梁中部最大向內彎曲位移為6.04 mm，其主平臺內還布置了3個箱型梁，加強剛度。對應主縱梁外側布置的承船廂的鎖定裝置和導向頂緊裝置，最大向內彎曲位移為1.62 mm和3.87 mm。鎖定裝置滿足了位移小于3 mm的設計要求，頂緊裝置布置處因加強結構剛度，或將頂緊裝置的位置布置的盡量靠下，以確保滿載時的變形位移滿足設計要求。

圖4 承船廂總體位移云圖

（3）承船廂廂頭裝載了許多液壓、電器設備，因而布置了大量的箱型梁及垂直拼接的筋板以保證其剛度和穩定性。廂頭的位移分布云圖。除鋪板外的結構部分的位移都小于2 mm，門欄部分的位移無集中彎曲點其都小于1 mm，能確保臥倒門關閉時能與門欄緊密接合，不會漏水。

（4）承船廂的總體應力云圖如圖5所示。應力最大的位置為位于主縱梁中部，與中央平臺聯接處的筋板過人孔處，最大應力為186.32 MPa，小于許用值250 MPa。

圖5 承船廂總體應力云圖

（5）從承船廂總體的應力云圖中可以看出絕大部分為藍色區域，應力較小。5個關鍵的應力受控部位，應力相對集中，其大小如表2所示。吊耳部分，由于在吊耳筋板的內測布置一塊長鋼板，使各筋板相連形成箱型結構，從而使無論是安全卷筒還是平衡滑輪其應力都大大減小。

（6）由于廂頭布置了大量箱型梁，整體剛度較高。與其相連的主縱梁和主平臺的連接處都出現了應力相對較大處。在大跨度的情況下，主平臺底部主橫梁的下翼板也受到了較大的拉應力。這幾個部位都可以適當加強，以使應力分布更平均。

2.2 承船廂的變形及應力觀測

為確保升船機的安全運行及驗證上述有限元分析準確性，在承船廂加工完成進行廠內聯調時，還應設置觀測步驟以確定承船廂的變形及應力。

表2 控制部位最大應力

本研究根據上述計算得出承船廂的應力應變分布特點，驗證應變帶來的承船廂整體變形趨勢，認為采用全站儀進行觀測較為合適［7-8］。全站儀不僅可以確定承船廂的空間方位，更能確定其相對變形，其布置位置如下：在主縱梁上翼板處布置26個，各吊耳處布置一個，在靠近中間變形較大處增加布置兩個測點，并在頂緊裝置和鎖定裝置的頂部布置6個測點；在與臥倒門對接的U型門欄上布置8個測點；主橫梁下翼板的跨中不布置12個觀測點，靠近中間處多布置。其具體布置位置如圖6所示。圖中圓形黑點為主縱梁上的測點；三角形為門欄上測點；星型為主橫梁下翼板上測點［9-13］。

圖6 測點布置位置示意圖

應力變形可在計算得出的應力相對集中的主縱梁中間靠下位置的肋板處、各吊耳處、主橫梁下翼板處、主縱梁與廂頭連接下彎曲處及主平臺與廂頭連接的次縱梁處貼應變片，來測量得到各應力控制位置的應力。

3 結束語

沙沱升船機為全球已建和在建的卷筒卷揚式升船機中，提升高度和起重量最大的升船機。基于有限元軟件ANSYS、hypermesh，本研究對其承船廂進行了分析。

（1）由于承船廂的結構復雜，區別于以往的建模方式，本研究基于hypermesh前處理軟件建立承船廂空間薄壁結構模型，未對承船廂結構進行過多的簡化，保留了原來問題的復雜性，計算結果更為精確。可對同類升船機承船廂結構的分析提供借鑒。

（2）本研究經計算得出了位移分布云圖，對主縱梁和主橫梁的撓度進行了校核，確保其滿足設計要求。還對承船廂的幾個關鍵部位進行了剛度校核，提出改進意見確保其滿足設計要求。

（3）本研究經計算得出了應力分布云圖，可確保其最大應力點滿足許用應力要求。對其幾個關鍵應力控制部位進行校核，提出了改善的意見。

（4）為確保升船機有效安全運行，本研究對仿真計算結果進行了驗證，根據計算得出的承船廂變形特點，設計承船廂變形的觀測方法，對之后的工程設計及深入研究提供了借鑒。

（

）：

［1］長江水利委員會.三峽工程永久通航建筑物研究［M］.武漢：湖北科學技術出版社，1997.

［2］LU Y，MABU，ZGANG T T，et al.Multi-car elevator group supervisory control system using gentic network programming［J］.IEEE Congress on Evolutionary Computation，2009，12（5）：242-255.

［3］徐格寧，張騫.基于機械狀態法的橋式起重機金屬結構設計［J］.起重運輸機械，2011（3）：31-36.

［4］王晉媛，石端偉，鮑務均.三峽垂直升船機承船廂有限元分析［J］.水利電力機械，2000（6）：12-16.

［5］金龍，潘國峰，田鑫.回轉支承在軌道旋轉裝置中的應用［J］.機電工程，2013，30（6）：705-710.

［6］RANJBAR-FAR M，ABSIA J，MARIAUXC G，etal.Simulation of the effect of material properties and interface roughness on the stress distribution in thermal barrier coatings using finite element method［J］.Materials and Design，2010，31（2）：772-781.

［7］武漢水利電力大學，大連工學院，河海大學.水工鋼結構［M］.3版.北京：水利電力出版社，1998.

［8］巖灘水電站垂直升船機原型觀測報告［R］.武漢：長江科學院，2000.

［9］劉偉，喻寶楨.預防起重機械安全事故的幾點措施［J］.機電工程，2010，27（4）：41-46.

［10］劉曉峰，李立新，于靖偉.履帶式起重機行走機構故障分析與解決方案［J］.液壓氣動與密封，2013（11）：62-64.

［11］丁敏，鄭見粹，鄒云飛.起重設備抗震設計方法綜述［J］.起重運輸機械，2013（1）：113-119.

［12］顧永強，郭少東.塔式起重機地震效應的初步分析［J］.機械，2012，39（9）：5-8.

［13］湯漾平，祝賀.機械制造專業形位公差綜合測量實驗設備的研制［J］.機電工程，2012，29（1）：42-45.