有限元法在弧形舌瓣門設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃 勇,羅 濤,李 崗,趙春龍

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)04—0090—05

有限元法在弧形舌瓣門設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃 勇,羅 濤,李 崗,趙春龍

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

利用ANSYS計(jì)算分析了弧形舌瓣門在啟門瞬間和舌瓣門開啟排漂2種工況下的應(yīng)力和變形。計(jì)算結(jié)果清楚反映出弧形舌瓣門結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)；在不同工況下，弧形舌瓣門各主要構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。從數(shù)值模擬方面為弧形舌瓣門的合理設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，同時(shí)為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

有限元法；弧形舌瓣門；應(yīng)力；變形；ANSYS

0 前 言

弧形舌瓣門是一種用于水利水電工程泄水和排漂的弧形組合閘門，由門葉頂部帶有開口的弧形閘門和鉸接在弧形閘門開口內(nèi)的舌瓣門組成，在弧形閘門關(guān)閉擋水的情況下，可通過(guò)啟閉舌瓣門排出壩前漂浮物。目前，對(duì)于弧形舌瓣門的設(shè)計(jì)計(jì)算，大多數(shù)采用平面結(jié)構(gòu)體系計(jì)算方法[1]，將帶開口弧形閘門和舌瓣門作為2個(gè)獨(dú)立的部分分別計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果無(wú)法全面、正確反映出弧形舌瓣門整體的空間受力情況，也無(wú)法反映出閘門各個(gè)構(gòu)件之間的相互聯(lián)系及變形協(xié)調(diào)關(guān)系。水工鋼閘門的有限元法[2-9]，是將閘門作為一個(gè)整體的空間結(jié)構(gòu)體系，將整體結(jié)構(gòu)劃分為有限多個(gè)、有限大小的單元，單元之間僅靠節(jié)點(diǎn)連接，對(duì)每個(gè)單元建立節(jié)點(diǎn)平衡方程，然后再將其集合成整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程組，求出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移，再根據(jù)單元應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，推導(dǎo)出整體結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的位移和應(yīng)力值，能夠充分體現(xiàn)出閘門較強(qiáng)的空間效應(yīng)。鑒于此，本文基于有限元法基本理論，應(yīng)用ANSYS三維數(shù)值模擬軟件[10]，對(duì)弧形舌瓣門在啟門瞬間及弧門關(guān)閉擋水、舌瓣門開啟排漂時(shí)的工作性態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析，從數(shù)值模擬方面為弧形舌瓣門的合理設(shè)計(jì)提供了重要參考依據(jù)。

1 有限元模型構(gòu)建

1.1 閘門結(jié)構(gòu)型式

某水電站溢洪道共2孔，孔口尺寸8 m×15 m(寬×高)，設(shè)2扇露頂式弧形舌瓣門。弧形舌瓣門為雙主梁斜支臂球鉸結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，弧門弧面半徑16 m，門葉高度15 m，支鉸中心高度8 m，設(shè)計(jì)水頭14.5 m，動(dòng)水啟閉，啟閉設(shè)備為2×1 600 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)；舌瓣門尺寸4 m×2.98 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭3.122 m，啟閉設(shè)備為2×250 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。閘門面板支承在由主橫梁、邊梁、縱梁和小橫梁組成的梁格上，面板與梁格直接焊接，支臂與主橫梁采用螺栓連接構(gòu)成主框架；主橫梁、支臂臂桿均為箱型組合梁，縱(邊)梁為T形截面組合梁，小橫梁為槽鋼和工字型鋼。

圖1 弧形舌瓣門結(jié)構(gòu)型式圖 單位：高程，m；其它，mm

1.2 閘門三維實(shí)體模型構(gòu)建及單元?jiǎng)澐?/p>

弧形舌瓣門是一種典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系，由一系列板、殼、梁、桿等構(gòu)件組合而成。正常工作時(shí)，閘門所承受荷載將通過(guò)各構(gòu)件的相互傳遞來(lái)共同承擔(dān)，面板、主橫梁、縱梁、支臂等將發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、軸向拉壓等組合變形。因此，計(jì)算模型的選擇必須考慮到各構(gòu)件的幾何性質(zhì)、變形特征和受力方式以及相互作用關(guān)系等，以正確反映出閘門的整體作用以及各構(gòu)件的實(shí)際工作狀態(tài)。根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，將閘門面板、主橫梁、縱梁、邊梁、小橫梁、支臂、支臂間豎桿離散為殼單元中的shell63單元，閘門撐桿、支臂間斜桿、啟閉機(jī)液壓桿離散為桿單元中的beam188單元，支鉸簡(jiǎn)化離散為實(shí)體單元中的solid45單元。據(jù)此建立的弧形舌瓣門有限元模型如圖2所示， 計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為88 464個(gè)，單元總數(shù)為106 453個(gè)。

1.3 邊界條件設(shè)置與加載

露頂式弧形舌瓣門在啟門瞬間即閘門底部剛離開底坎時(shí)為弧門最不利工況，舌瓣門開啟排漂時(shí)為舌瓣門最不利工況。因此，計(jì)算時(shí)考慮2種情況，分別為啟門瞬間和舌瓣門開啟排漂(開度85°)。

圖2 弧形舌瓣門三維有限元計(jì)算模型圖

(1) 約束處理

工況1：在液壓?jiǎn)㈤]機(jī)桿頂部施加x、y方向位移約束，在支鉸處施加x、y、z方向位移約束。

工況2：在底緣處施加y方向位移約束，在支鉸處施加x、y、z方向位移約束。

坐標(biāo)系定義為x軸沿水流方向，y軸沿鉛直方向，z軸沿主橫梁軸向。

(2) 計(jì)算荷載。主要考慮閘門的靜水壓力和自重，以及啟門瞬間閘門側(cè)邊和支鉸處的摩擦力，其中靜水壓力取設(shè)計(jì)水頭14.5 m。

(3) 結(jié)構(gòu)尺寸與材料特性。各構(gòu)件的外形尺寸及厚度均按初步設(shè)計(jì)圖紙取用。閘門構(gòu)件材料選用Q345C和Q235B，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

2 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 弧門計(jì)算結(jié)果與分析

在弧形舌瓣門啟門瞬間，弧門受力最大，舌瓣門受力相對(duì)較小，在此工況下僅對(duì)弧門計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取并分析。

其中，縱梁(包括邊梁)從左至右依次編號(hào)為1～6號(hào)，小橫梁(包括頂、底梁)自上向下依次編號(hào)為1～18號(hào)。

2.1.1 弧門應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析

弧門總體折算應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示，最大折算應(yīng)力為140.4 MPa。

圖3 弧門總體折算應(yīng)力計(jì)算云圖

(1) 面板。面板最大折算應(yīng)力為103 MPa，出現(xiàn)在面板與15、16號(hào)小橫梁之間的3、4號(hào)縱梁連接處，最大折算應(yīng)力小于容許應(yīng)力(265 MPa)。面板應(yīng)力自上而下逐漸增大的現(xiàn)象主要是由于受水壓作用，整個(gè)面板強(qiáng)度滿足要求。

(2) 主橫梁。主橫梁主要作用是傳遞面板傳來(lái)的水壓力，增加門體的橫向抗彎和抗扭剛度。主橫梁由前翼緣(與面板相貼)、腹板、后翼緣組成；腹板的主要作用是抗彎抗剪，后翼緣主要是抗彎。主橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4、5所示，其中，最大剪切應(yīng)力為51.8 MPa，出現(xiàn)在下主橫梁與支臂連接處內(nèi)側(cè)腹板區(qū)域，主橫梁沿腹板軸線方向最大剪切應(yīng)力小于容許應(yīng)力(108 MPa)；最大折算應(yīng)力為140.4 MPa，出現(xiàn)在下主橫梁與支臂連接處內(nèi)側(cè)腹板區(qū)域，主橫梁沿腹板軸線方向最大折算應(yīng)力小于容許應(yīng)力(265 MPa)。主橫梁計(jì)算結(jié)果滿足強(qiáng)度要求。

圖4 主橫梁剪切應(yīng)力計(jì)算云圖

圖5 主橫梁折算應(yīng)力計(jì)算云圖

(3) 縱梁(含邊梁)。縱梁是將面板與主橫梁的水壓力傳遞給支臂，它同橫梁一起形成縱橫交錯(cuò)的門體梁格，有利于提高門體的整體強(qiáng)度。縱梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6、7所示，其中，最大剪切應(yīng)力為61.2 MPa，最大折算應(yīng)力為113.1 MPa，均出現(xiàn)于2、5號(hào)縱梁后翼緣與上主橫梁連接處區(qū)域。縱梁沿腹板軸線方向最大剪切應(yīng)力和最大折算應(yīng)力均小于容許應(yīng)力(108和265 MPa)。縱梁計(jì)算結(jié)果滿足強(qiáng)度要求。

(4) 支臂。支臂有2個(gè)主平面，一個(gè)主平面在主橫梁和支臂框架平面內(nèi)，稱之為主框架平面；另一主平面在上下支臂框架平面內(nèi)。支臂在兩個(gè)平面內(nèi)均受彎矩、軸力作用，為偏心受壓桿。支臂最大軸向應(yīng)力為94.2 MPa，出現(xiàn)在上支臂腹板靠近支鉸區(qū)域；最大折算應(yīng)力為138.2 MPa，出現(xiàn)在上支臂腹板靠近上主梁后翼緣區(qū)域。支臂最大應(yīng)力均小于容許應(yīng)力(265 MPa)，滿足強(qiáng)度要求。

圖6 縱梁剪切應(yīng)力計(jì)算云圖

圖7 縱梁折算應(yīng)力計(jì)算云圖

2.1.2 弧門變形計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)于受彎構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)撓度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行剛度校核。根據(jù)SL74-2013《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)于露頂式工作閘門，主橫梁的最大撓度與計(jì)算跨度的比值不應(yīng)超過(guò)1/600。閘門主橫梁跨度為5 100 mm，其容許出現(xiàn)的最大撓度為8.5 mm。

由計(jì)算結(jié)果可知：主橫梁的最大撓度計(jì)算值為7.8 mm，小于主橫梁撓度的容許值(8.5 mm)。閘門主橫梁滿足剛度要求。

2.2 舌瓣門計(jì)算結(jié)果與分析

在弧門關(guān)閉擋水、舌瓣門開啟排漂時(shí)(開度85°)，舌瓣門受力最大，弧門受力相對(duì)較小，在此工況下僅對(duì)舌瓣門計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取并分析。

2.2.1 舌瓣門應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析

舌瓣門最大折算應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8所示，最大折算應(yīng)力為140 MPa。

圖8 舌瓣門折算應(yīng)力計(jì)算云圖

(1) 面板。面板最大折算應(yīng)力為48.7 MPa，出現(xiàn)在面板頂端與2、3號(hào)縱梁連接處，最大折算應(yīng)力小于容許應(yīng)力(265 MPa)。 整個(gè)面板強(qiáng)度滿足要求。

圖9 主橫梁剪切應(yīng)力計(jì)算云圖

(2) 主橫梁。 主橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖9、10所示，其中，最大剪切應(yīng)力為39.8 MPa，出現(xiàn)在下主橫梁后翼緣與縱梁連接處區(qū)域，主橫梁沿腹板軸線方向最大剪切應(yīng)力小于容許應(yīng)力(108 MPa)；最大折算應(yīng)力為109.9 MPa，出現(xiàn)在上主橫梁后翼緣與邊梁連接處區(qū)域，主橫梁沿腹板軸線方向最大折算應(yīng)力小于容許應(yīng)力(265 MPa)。主橫梁計(jì)算結(jié)果滿足強(qiáng)度要求。

(3) 縱梁(含邊梁)。縱梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖11、12所示，其中，最大剪切應(yīng)力為40 MPa，最大折算應(yīng)力為190 MPa，均出現(xiàn)于邊梁后翼緣與上主橫梁連接處區(qū)域。縱梁沿腹板軸線方向最大剪切應(yīng)力和最大折算應(yīng)力均小于容許應(yīng)力(108和265 MPa)。縱梁計(jì)算結(jié)果滿足強(qiáng)度要求。

圖10 主橫梁折算應(yīng)力計(jì)算云圖

圖11 縱梁剪切應(yīng)力計(jì)算云圖

圖12 縱梁折算應(yīng)力計(jì)算云圖

2.2.2 舌瓣門變形計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)于受彎構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)撓度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行剛度校核。根據(jù)SL74-2013《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)于露頂式工作閘門，主橫梁的最大撓度與計(jì)算跨度的比值不應(yīng)超過(guò)1/600。舌瓣門主橫梁跨度為1 700 mm，其容許出現(xiàn)的最大撓度為2.8 mm。

由計(jì)算結(jié)果可知：主橫梁的最大撓度計(jì)算值為1 mm，小于主橫梁撓度的容許值(2.8 mm)。閘門主橫梁滿足剛度要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 弧形舌瓣門三維有限元計(jì)算分析結(jié)果表明，弧門最大應(yīng)力部位為：面板出現(xiàn)在與15、16號(hào)小橫梁之間的3、4號(hào)縱梁連接處；主橫梁出現(xiàn)在與支臂連接處內(nèi)側(cè)腹板區(qū)域；縱梁出現(xiàn)在2、5號(hào)縱梁后翼緣與上主橫梁連接處區(qū)域；支臂出現(xiàn)在上支臂腹板靠近主梁后翼緣區(qū)域。舌瓣門最大應(yīng)力部位為：面板出現(xiàn)在與2、3號(hào)縱梁連接處的頂部區(qū)域，主橫梁出現(xiàn)在后翼緣與縱梁連接處區(qū)域，縱梁出現(xiàn)在邊梁后翼緣與上主橫梁連接處區(qū)域。弧形舌瓣門應(yīng)力分布規(guī)律符合其結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。在極限工況下，弧形舌瓣門主要構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 三維有限元計(jì)算分析方法是解決空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)的主要手段，通過(guò)對(duì)弧形舌瓣門建立有限元仿真分析模型，設(shè)置邊界條件并進(jìn)行求解，可以得到閘門在不同運(yùn)行工況下的應(yīng)力分布及變形情況，從而得知閘門承受最大應(yīng)力和發(fā)生最大變形的部位，為閘門合理設(shè)計(jì)提供參考。

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Application of Finite Element Method in Design of Radial Flap Gate

HUANG Yong, LUO Tao, LI Gang, ZHAO Chun-long

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

Stress and deformation of the radial flap gate under the two conditions of the gate being opened transiently and the gate being opened for floats are calculated and analyzed by application of ANSYS. The calculation results clearly present the acting characteristics of the radial flap gate. Under the different operating conditions, both strength and rigidity of main components of the radial flap gate satisfy design requirements. In term of the value analog, this study provides the reasonable deign of the radial flap gate with important basis as well as the similar structural design with reference.Key words:finite element; radial flap gate; stress; deformation; ANSYS

2015-01-19

黃勇(1988- )，男，陜西省洋縣人，助理工程師，從事金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

TV663+.2

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.023