弧形閘門的有限元分析在液壓缸選型中的應用

林利芬，張開會

（1.武漢軟件工程職業學院，湖北 武漢430000；2.蕪湖市銀鴻液壓件有限公司，安徽 蕪湖241000）

弧形閘門的擋水面為圓柱體的部分弧形面，由于弧形閘門不用設置門槽，啟閉力學性能好，作為工作閘門在各種類型的水道中得到廣泛應用。鉸接座位于弧形面的下端，啟閉時閘門繞支承鉸轉動。弧形閘門由門葉、鉸接座、支撐桿、支撐油缸及液壓系統組成。本文以3m弧形閘門為分析對象，在Femap有限元分析平臺中，把其整個啟閉過程添加梯形載荷，分為多個載荷步進行分析，通過后處理提取油缸支撐處的載荷及支撐反力數據，為油缸設計選型提供依據。

1 弧形閘門計算模型建立

采用有限元計算軟件Femap With NX Nastran建立3m弧形閘門整體計算模型。下部鉸接座采用MASS單元模擬，鉸接座與鉸接軸連接采用RBE2單元模擬（釋放銷軸方向自由度），其余構件采用板單元模擬。上部油缸座及支撐架與弧形閘門的連接，按照固定連接處的節點處理，弧形閘門的面板、橫筋和縱筋的材料均為Q235B。各支點的邊界條件如表1所示，計算模型如圖1所示。

圖1 3m弧形閘門計算模型

表1 3m弧形閘門各支點邊界條件表

說明：Di表示平動的自由度，Ri表示轉動自由度；“1”表示約束，“0”表示自由，A、B、C、D分別為下部鉸接座的下左支點、下部鉸接座的下右、油缸的上左支點、油缸座的上右支點。

計算工況說明：表2為3m弧形閘門從開閘最低水位到關閘最高水位時，弧形門板從0°靠油缸頂推，沿著下部鉸軸旋轉到75°的四個計算工況?；⌒伍l門的自重載荷按照重力加速度修正后處理，水位的高低及在弧形門板上的壓強，按照梯形壓強添加在弧形門板的外表面，水流的沖洗系數是按照比例關系添加在梯形壓強上。

表2 臂架的四個計算工況

2 弧形閘門的金屬結構分析

3m弧形閘門在關閘的最高水位下，閘門下部三分之一位置出現最大應力，最大綜合應力約32MPa，小于容許應力159MPa，強度滿足要求。圖2為弧形閘門在最高水位狀態的整體應力分布圖，在最高水位狀態下，弧形閘門的最大合位移出現在弧形閘門下部的面板上和弧形閘門上部的兩個尖角處，最大綜合位移約0.46mm。

圖2 最高水位狀態下整體應力分布圖（MPa）

圖3 最高水位狀態下整體位移圖（mm）

3 弧形閘門的橫向筋骨強度計算

弧形閘門的橫向筋中，上下兩個橫向筋為無縫鋼管，中部的四個橫向筋為焊接的工字型梁，材質均為Q235B。經過計算分析，中部支撐位置應力較大，最大綜合應力約27.5MPa，小于容許應力159MPa。圖4為最高水位狀態下弧形門板的橫向筋應力分布圖，最高水位狀態下，橫向筋的最大位置分布在兩側，越接近水面，下撓越大，最大的綜合位移約0.46mm。圖5為最高水位狀態下的橫向筋位移圖。

圖4 最高水位狀態下橫向筋應力分布圖（MPa）

圖5 最高水位狀態下橫向筋位移圖（mm）

4 弧形閘門的豎向筋骨強度計算

弧形閘門的六個豎向筋均為板材焊接的弧形工字梁，材質均為Q235B；經過計算分析，中下部應力較大，最大綜合應力約17.3MPa，小于容許應力159MPa，圖6為最高水位狀態下弧形門板的豎向筋應力分布圖；最高水位狀態下，橫向筋的最大位置分布在兩側，越接近水面，下撓越大，最大的綜合位移約0.46mm，圖5為最高水位狀態下的豎向筋位移圖。

圖6 最高水位狀態下豎向筋應力分布圖（MPa）

圖7 最高水位狀態下豎向筋位移圖（mm）

5 鉸座及油缸支座的支撐反力

支撐油缸的一段與弧形門板之間通過鉸接座連接，另一端與地面的錨固機構聽過鉸接座連接；通過對弧形門板分別回轉0°、25°、50°、75°四個工況進行有限元分析，提取每個狀態下的支撐反力，得出在最高水位狀態下，支撐油缸的支撐反力最大，表3為提取的在最高水位狀態下的油缸鉸接座處的總支反力、沿水流方向的支反力、豎直方向支反力和垂直水流方向的支反力。通過提取的支撐反力，為油缸的選型提供依據。

表3 各支點反力計算結果表（N）

6 結論

本文利用大型有限元分析軟件Femap&NX Nastran對3m弧形閘門在額定載荷下的金屬結構進行有限元分析，得出該結構整體強度和剛度均滿足設計規范要求，并有較大安全裕度。通過對開閘到關閘的整個過程進行多載荷步分析，得到油缸支撐反力的變化數據，對油缸的設計和選型提供設計參考。