Solidworks在鋼閘門有限元分析中的應用探討

王慧斌，樊雪鈺

推廣應用

(1.黑龍江省七臺河水務局，黑龍江 七臺河 154600；2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

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Solidworks在鋼閘門有限元分析中的應用探討

王慧斌1，樊雪鈺2

推廣應用

(1.黑龍江省七臺河水務局，黑龍江 七臺河 154600；2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

摘要：鋼閘門是擋水與泄水建筑物的重要組成部分，鋼閘門的安全與否直接關系到水庫下游群眾的生命財產安全；由于鋼閘門是空間結構，很難實現手算，因此傳統的計算方法一貫是將鋼閘門簡化為平面結構再進行計算，這種計算方法精度不足。有限單元法作為一種新興的工具，能夠實現較精確的計算分析。文章探討了如何利用有限元對鋼閘門進行建模、靜力學分析，并和傳統的計算方法行進對比。

關鍵詞：鋼閘門；三維；Solidworks;有限元；分析；應用

黑龍江七臺河市某水庫輸水洞，工作閘門孔口尺寸為1.5m×1.8m，底檻高程192.00，設計洪水位195.00，設計水頭H=3.0m。閘門采用平面滑動式鋼閘門，面板布置在上游側，單吊點，雙主梁結構，梁系采用等高連接。文章擬使用達索Solidworks的有限元分析模塊SolidWorks Simulation對此鋼閘門進行分析計算，并和按照《水利水電工程鋼閘門設計規范》(GB 64—2013)的手算結果進行對比探討。

1有限元及達索Solidworks三維設計軟件簡介

作為一種求解偏微分方程數值解的數學方法，有限單元法理論成形并發展于20世紀50—60年代，由于當時理論尚處于成形階段，計算機的應用尚未普及，這使得有限單元法的應用大大受到限制。從上世紀70年代末起，隨著計算機的普及，有限元單元法開始普及，同時也出現了很多大型有限元商業程序。如今，有限元已廣泛應用于機械，巖木，橋梁等各個領域。

Solidworks是當今主流的機械設計三維建模軟件之一，同時，其集成了Simulation有限元分析模塊。和大型商業有限元分析軟件ANSYS相比，Solidworks具有強大的建模能力，而Simulation操作簡單，易于上手。從實體建模，材料給定，加載邊界條件，再到求解均非常方便。

2鋼閘門的設計工況和結構參數

鋼閘門的面板尺寸為1940mm×1830mm，閘門采用雙主梁結構，主梁采用型鋼I25a，頂梁采用組合梁，底梁采用型鋼I16。在閘門中間設置一道豎直次梁，豎直次梁亦采用型鋼I25。閘門的梁系布置尺寸見圖1～2。

圖1　閘門梁系側視圖

圖2　閘門水壓力示意圖

3鋼閘門的傳統應力計算

如前所述，鋼閘門主要是由面板，邊梁，主梁與次梁構成一個空間的受力結構，鋼閘門的內力計算與分析按照SL 74《水利水電工程鋼閘門設計規范》執行。

閘門所受的水壓力圖如圖3 所示。

3.1主梁荷載的確定

閘門主梁的載荷分配按照“相鄰間距之和半法”原則進行確定，即主梁的受荷寬度b為上下梁間距之和的1/2。

圖3　閘門梁格布置圖

首先計算下主梁的荷載。

下主梁與上下梁系的間距:

b1=400mm，b2=350mm

下主梁的受荷寬度：

B=b1+b2=375mm

下主梁設計水頭：

Hs=2.55m

下主梁中心線水壓強度：

p=ρgHs=25 kN/m2

下主梁所受線荷載：

q1=pb=9.4kN/m

同理，上主梁的受荷寬度：

上主梁設計水頭：

Hs=1.7m

上主梁中心線水壓強度：

p=ρgHs=16.7 kN/m2

上主梁所受線荷載：

q2=pb=7.5 kN/m

由此可見，下主梁所受的線荷載比較大，因上下主梁截面相同，只需校核下主梁的內力即可[1]。

3.2主梁的截面特性

主梁采用工字鋼I25a，面板參與下主梁梁格抗彎的有效寬度B根據《鋼閘門設計規范》可取為B=300。計算截面如圖4所示。

主梁的截面特性參數如下：

3.3下主梁驗算

主梁的計算長度：l=1.8m

圖4　主梁計算截面圖

主梁承受均布荷載，最大彎矩發生在主梁跨中截面，其最大彎矩值為：

主梁的跨中最大應力為：

其中鋼材的彈性模量取為：E=210Gpa。

3.4面板區格的應力計算

主梁與次梁將面板劃分為不同的區格，面板區格中間的應力值為最大，區格的應力可按照彈性理論薄板計算公式求得，即：

(1)

式中:a為區格短邊長度；p為區格中性線水壓力強度；δ為面板厚度；k為彈性壁板彎曲應力系數，可查閱《鋼閘門設計規范》[2]。

通過計算，可得到面板區格最大應力值，如圖5所示。

圖5　面板區格最大應力

4鋼閘門solidworks有限元分析

4.1鋼閘門建模

鋼閘門建模使用達索Solidworks軟件完成，建模中需要注意的是，為了提高網格劃分的成功率，對于閘門中的次要構件可以予以忽略，譬如主次梁連接處的加勁肋板，止水壓板等。建模完成后的閘門模型如圖6所示。

圖6　鋼閘門三維模型

4.2有限元分析前處理

加載Solidworks simulation模塊插件，進入solidworks有限元分析界面。Solidwork有限元分析前處理主要包括指定材料，定于夾具，加載外部荷載，網格化。

1)材料指定：閘門材料指定為普通碳鋼，其彈性模量E=2.1×1011MPa，泊松比μ=0.3。

2)定義夾具：閘門承受水壓力時，通過滑塊將力傳給閘墩，因此，將滑塊接觸面定義為固定支座。

3)加載外部荷載：閘門承受的外部荷載為水壓力，由于水壓力沿高閘門度線形分布，simulation中不能直接加載水壓力。因此 ，可通過定義非均勻壓力等效為水壓力。

4)生成網格：在生成網格中，要注意的是網格密度參數，網格密度參數的設定會對最后的求解精度產生影響，一般說來在一定范圍內，網格密度越高，求解精度越好。但網格密度超過一定范圍后，對求解精度的影響就非常小了，同時，網格設置過密也意味著計算機計算、分析、求解時間的增加[3]。

網格密度，網格參數和雅克比點的設置均可以先按照系統默認設置。求解之后可再對參數進行微調。生成的網格見圖7。

圖7　鋼閘門網格劃分

參數設置完成后即可運行求解，求解結果見圖8～9。

圖8　閘門應力云圖

圖9　閘門位移云圖

5結果比較

兩種計算方式下，鋼閘門主要受力構件的計算結果見表1：

表1　閘門主要受力構件計算結果表

6分析與探討

由表1可見，通過有限元計算的結果比按照SL74—95規范的計算結果偏低。

前面已說過，鋼閘門是屬于空間結構，鋼閘門在擋水時，不僅僅主梁承受水壓力，與主梁焊接的水平次梁和豎直次梁同樣也參與抗彎。而利用傳統的結構力學計算方法，很難精確計算主次梁的應力分布。因此在規范SL 74中，將鋼閘門簡化為平面結構，鋼閘門的計算模型中假設主梁承受全部的水壓力，次梁僅僅是參與面板區格劃分，同時為了考慮空間結構的受力效應，降低計算誤差，將一部分面板視為主梁前翼緣，參與擋水抗彎，面板參與主梁抗彎的長度通過模型試驗進行確定。

早在1988年新版《鋼結構規范》頒布出臺，鋼結構的設計計算就開始采用以概率理論為基礎的概率極限設計法，但2013年新版《鋼閘門設計規范》出臺后，所采用的計算方法仍是沿用以前的容許應力設計法，這主要是因為現階段關于鋼閘門的統計數據掌握的太少，需要繼續統計和調查的緣故。但是容許應力設計法是一種相當落后的方法，由于不能考慮鋼閘門在不同工作條件下的設計工況，因此所求得的應力分布總是偏于保守。通過有限元的計算結果可以看出，由于有限元計算將閘門視為一個整體，因此得到的應力數值偏小，從總的趨勢上來看，這個結果有一定的合理性，可以作為設計參考。

由于電算的普及，有限元計算的優勢在于，即使是受力體的形狀不規則，邊界條件較復雜，任然可以對受力體做靜力學，動力學，振動的分析。有些受力模型利用傳統計算方法會有一些難度，而對模型過度簡化有可能會產生較大的計算偏差，利用有限元分析則可以較為容易地解決。同時和其有限元軟件相比，Solidworks有限元分析的優勢在于建模容易，分析過程易于上手，操作簡單，同時提供較為豐富的幫助案例。在鋼閘門的設計中，利用Solidwoeks對鋼閘門建模并進行靜力學，動力學及振動的有限元分析，是一種行之有效的結構設計和驗證方法，在水工金屬結構設計中可以發揮重要的作用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部.SL 74—95鋼閘門設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

[2]水電站機電設計手冊編寫組.水電站機電設計手冊金屬結構(一)[M].北京：中國水利水電出版社，1988：20-70.

[3]二代龍震工作室.Solidworks 2011高級設計[M].北京：清華大學出版社，2011：16-87.

Application of Solidworks in Steel Gate Finite Element Analysis

WANG Hui-bin1and FAN Xue-yu2

(1.Qitaihe Water Affairs Bureau Heilong, Qitaihe 154600, China;2.Heilongjiang Provincial Water Conwervancy & Hydroelectric Power Investigation, Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

Abstract：The steel gate is an important composition of water retaining and drainage building, whether the steel gate is safe relates directly to the life and property safety of the mass living at the downstream of the reservoir.Hand computation is difficult to be realized because the steel gate belongs to the spatial structure, the steel gate is always simplified as a planar structure and then calculated in the traditional computation method, and this calculation method is not accurate enough.As a kind of new tool, the limited unit method is capable to achieve more accurate calculation and analysis.The paper discusses how to use finite elements to construct model and conduct statistic analysis for the steel gate and compare with the traditional computation method.

Key words：steel gate; three-dimension; Solidworks; finite element；analysis；application

中圖分類號：TV663.4

文獻標識碼：A

[作者簡介]王慧斌(1985-)，男，吉林伊通人，工程師；樊雪鈺(1987-)，男，青海西寧人，工程師。

[收稿日期]2015-08-28

文章編號：1007-7596(2016)01-0087-04