考慮銹蝕形態的弧形閘門有限元分析

王　超,黃　銘

(合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽合肥230009)

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考慮銹蝕形態的弧形閘門有限元分析

王超,黃銘

(合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽合肥230009)

摘要：利用ANSYS軟件建立某水庫溢流表孔弧形閘門三維有限元模型,結合弧形閘門銹蝕檢測數據建立弧形閘門銹蝕有限元模型,模擬其全面銹蝕與局部銹蝕進行計算,計算結果表明弧形閘門銹蝕后,銹蝕部位應力分布變化明顯,閘門強度和剛度有不同程度的降低。還發現當銹蝕坑位于面板銹蝕敏感部位時,對面板應力的影響較大。研究結果可用于分析在役弧形閘門的強度和剛度,為弧形閘門的日常管理和銹蝕模擬計算提供參考。

關鍵詞：弧形閘門；有限元法；銹蝕形態 ；工作性態

0引言

弧形閘門是水工建筑物的重要組成部分,由于其封口面積大、啟閉省力、運轉可靠、泄流條件優越以及良好的適應性等優點而被廣泛應用于水利工程中。20世紀50年代以來,我國水利水電工程采用了大量的弧形閘門,經過長期運行,絕大多數經受住了設計條件的考驗,運行性能良好。但由于弧形閘門長期處于干濕交替、浸沒水下及高速水流等環境中,其構件極易發生銹蝕[1]。閘門構件銹蝕后,構件截面尺寸的削弱會導致應力加大、位移增加,材料的力學性能不斷退化,從而導致水工金屬結構強度和剛度的下降,直接影響到設備的安全運行。

近30年來,空間有限元法逐漸成熟并在弧形閘門銹蝕三維分析方面得到了廣泛應用。文獻[2]采用單元減薄法(蝕余厚度法)模擬面板的均勻銹蝕以及橫梁、支臂等部位的銹蝕坑,得出了銹蝕對閘門結構強度的影響較大；文獻[3]采用生死單元技術,考慮了銹蝕坑在弧形閘門上的隨機分布,得出了閘門表面的銹蝕對閘門內力的大小及分布是不能忽視的；文獻[4]采用蝕余厚度法分析面板不同銹蝕區域的計算結果,得出了弧形鋼閘門未出現銹蝕時等效應力較大的部位是其銹蝕敏感部位；文獻[5-6]采用蝕余厚度法分析閘門銹蝕后的靜動力特性,得出了銹蝕對閘門的工作性能有較大影響。

綜上所述,在弧形閘門結構銹蝕有限元計算中, 建模時多采用蝕余厚度代替閘門構件的真實厚度,從平均意義上考慮銹蝕作用,相當于閘門銹蝕部位均勻銹蝕。但是,鋼材銹蝕后的主要形態分為全面銹蝕和局部銹蝕,全面銹蝕引起截面尺寸的均勻減薄,用蝕余厚度法去模擬該種銹蝕是可行的,而局部銹蝕主要為不均勻銹蝕,其中由于點蝕、剝蝕等產生的銹蝕坑是最主要也是最危險的銹蝕失效形式[7],此時再采用蝕余厚度法去近似模擬銹蝕雖然簡單易于實現,但不能精確直觀地將局部較深、較大的銹蝕坑反映在計算模型上,忽視了銹蝕坑對弧形閘門內力分布的影響；采用生死單元技術來模擬銹蝕坑又會使銹蝕部位的單元單剛矩陣的作用幾乎為零,然而實際上銹蝕后單元的單剛矩陣是存在的,采用單元生死技術會給計算結果帶來誤差。

本文利用有限元分析軟件ANSYS對某運行多年的弧形閘門建立了三維有限元模型,探討了考慮銹蝕形態下銹蝕坑的建模方法,結合弧形閘門銹蝕檢測數據建立弧形閘門全面銹蝕及局部銹蝕有限元模型,分析了銹蝕對弧形閘門工作性態的影響,并對工程中常用的蝕余厚度法進行了比較分析。

1數值分析模型

1.1基本資料

某水庫溢流表孔弧形閘門為主橫梁斜支臂式潛孔弧形鋼閘門。閘門尺寸為13.0m×18.5m(寬×高),主要由面板、主梁、縱梁及支臂等部件組成。面板弧度半徑為19.5m,面板厚18mm,面板上布置了兩根主橫梁、14根水平次梁及7根縱向隔板。主梁、支臂采用箱型梁,主梁后翼板厚25mm,支臂厚20mm,其余構件厚度均小于16mm。

1.2有限元模型

弧形閘門的面板、主梁、縱梁、支臂主要用SHELL63單元離散得到,橫向小梁、支臂連接件橫撐、斜撐離散為BEAM188單元[8]。模型在整體直角坐標系下建立,選擇X軸指向上游,Y軸豎直向上,Z軸沿閘門跨度方向指向左,原點位于右側支鉸軸心處。弧形閘門的有限元模型見圖1。

圖1　弧形閘門有限元模型

1.3荷載與約束條件

閘門在運行過程中,主要荷載為自重荷載和水壓力荷載[9]。靜力計算工況為閘門設計水位,閘前水頭21.36m。約束條件取為：支鉸處受3個方向位移約束及繞X、Y軸的轉動約束,閘門門體底部與溢流面相交的位置施加豎直方向的位移約束。

2強度和剛度判別標準

(1)

式中,σ1、σ2、σ3為3個主應力。

規范[8]規定潛孔式工作閘門最大撓度應小于計算跨度的1/750,主梁計算跨度為7.768m,因而主梁的最大撓度不得超過10.4mm。縱梁懸臂部分長度為7.240m,縱梁的最大撓度不得超過9.7mm。

3弧形閘門的銹蝕模擬

3.1銹蝕坑的建模方法

通常情況下,弧形閘門不同構件或者構件的不同位置,因所處環境的差異及銹蝕過程本身的隨機性,其銹蝕程度、銹蝕形狀是各不相同的[12]。工程實踐中,常將銹蝕位置的材料厚度直接減薄以此來模擬銹蝕坑,該方法雖然簡單易于實現,但不能充分反應銹蝕坑的銹蝕形態,為了更有效地模擬銹蝕坑的銹蝕形態,有必要對銹蝕坑進行深入建模。由SHELL63的單元特性可知,其單元厚度是由設置在4個節點處的實常數來確定的,且假定單元內的厚度均勻變化。因此可以設想通過減小銹蝕部位節點處的實常數來減小單元在該節點處的厚度,從而使銹蝕部位從邊緣向中心逐漸加深,這樣就可以較好地模擬銹蝕坑,使銹蝕坑的有限元模型更接近銹蝕坑的實際形態。從而避免了采用蝕余厚度法模擬較深銹蝕坑的不科學[3]以及生死單元技術模擬銹蝕坑所引起的單元剛度矩陣幾乎為零的缺點。根據此方法(以下稱為節點厚度法)利用ANSYSAPDL高級分析技術建立的矩形板銹蝕坑有限元計算模型見圖2。

圖2　帶有銹蝕坑的有限元模型

構件未銹蝕最大等效應力/MPa所在部位銹蝕最大等效應力/MPa所在部位面板251上主梁與上方小橫梁、與主縱梁連接部位261上主梁與上方小橫梁、與主縱梁連接部位上主梁250腹板與上支臂外側連接部位257腹板與上支臂外側連接部位下主梁240腹板與下支臂內側連接部位248腹板與下支臂內側連接部位主縱梁237上主梁與支臂、主縱梁連接部位245上主梁與支臂、主縱梁連接部位邊梁129與上主梁連接部位133與上主梁連接部位支臂260支臂外側與主梁連接處264支臂外側與主梁連接處

3.2銹蝕模型的建立

結合銹蝕檢測數據及弧形閘門實際工作狀態,在銹蝕比較嚴重的面板及邊梁漏水的右下角區域分別設置密集銹蝕坑,以此來考慮局部銹蝕。為了充分探討銹蝕坑對弧形閘門的影響,銹蝕坑深度均取為最大檢測坑深3.0mm。面板、邊梁的銹蝕坑布置位置見圖3。對于該弧形閘門其余部位,由于銹蝕相對較均勻,可認為是全面銹蝕,采取平均蝕余度法來考慮這些部位的銹蝕。依據弧形閘門銹蝕檢測報告,閘門銹蝕量分布情況如下：①面板平均銹蝕量為0.381mm；②門梁平均銹蝕量為0.394mm；③支臂平均銹蝕量為0.351mm。

圖3　面板及邊梁銹蝕坑布置

3.3銹蝕對閘門應力的影響

圖4　面板局部銹蝕區銹蝕前后等效應力云圖

表1為弧形閘門在設計水位及自身重力作用下,閘門銹蝕前后各構件最大等效應力及其位置。圖4為面板右下角設置銹蝕坑部位(面板局部銹蝕區)銹蝕前后應力云圖,圖5為邊梁下主梁以下設置銹蝕坑部位(邊梁局部銹蝕區)銹蝕前后云圖。

圖5　邊梁局部銹蝕區銹蝕前后等效應力云圖

由表1可知：弧形閘門銹蝕前后,面板的最大等效應力均小于規范要求,其余構件的最大等效應力均出現在局部承壓區,且均小于局部允許承壓應力[σcd]；弧形閘門銹蝕后,強度有所下降,各構件的最大等效應力有所增加,增加幅度為3%左右,最大應力出現的位置沒有變化。調取計算結果可以知道,局部承壓區以外的其余部位均小于容許應力[σ],滿足規范要求。

對于面板及邊梁的局部銹蝕區域,由圖4、5可以看出,設置銹蝕坑之后,局部銹蝕區域應力分布變化較明顯,最大應力有所增加,產生應力集中現象,邊梁局部銹蝕區域較大應力出現的范圍有所擴大。

3.4銹蝕對弧形閘門變形的影響

表2給出了弧形閘門銹蝕前后整體及各構件的最大變形值。

表2　閘門各構件銹蝕前后最大變形值　mm

由表2可以知道,弧形閘門銹蝕后,整體及各部件的最大變形均增大,其中上主梁的變形增幅最大,增幅約為4.5%,其余構件變形增幅較小,可見銹蝕會使弧形閘門的剛度有一定程度的降低。

3.5銹蝕坑深度對面板銹蝕敏感部位應力的影響

由水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程[9]可知,銹蝕程度分為Ⅰ～Ⅴ5類,前文已述,局部銹蝕危險性較大,而當局部銹蝕位于閘門銹蝕敏感部位時,對閘門的安全運行更加不利,探究其位于弧形閘門銹蝕敏感部位時對閘門工作性態的影響有較大的意義。由表1計算結果可知,該弧形鋼閘門等效應力較大的部位(即銹蝕敏感部位)出現在上主梁與上方小橫梁、與主縱梁連接處,在該位置設置銹蝕坑,銹蝕坑深度取為Ⅰ～Ⅴ類情況,銹蝕程度Ⅰ～V的銹蝕深度分別取1、2、3、4、5mm。提取面板最大等效應力,并繪制面板最大等效應力隨銹蝕深度的變化曲線如圖6所示。

圖6　面板銹蝕敏感部位最大等效應力隨銹蝕深度變化

由圖6可以知道,當銹蝕坑位于閘門面板銹蝕敏感部位時,隨著銹蝕深度的增加,面板的最大等效應力基本上呈線性快速增長。同面板實際檢測的局部銹蝕區(圖3區域)相比,銹蝕深度同樣為3mm時,銹蝕敏感區等效應力的增加幅度大于圖3局部銹蝕區等效應力的增加幅度。可見,當銹蝕坑位于銹蝕敏感部位時,其對閘門應力的影響更大。因此,工程實踐中可以先對弧形閘門進行有限元分析計算,通過應力計算結果確定其銹蝕敏感部位,對該部位進行重點檢測監控,加強防腐維護處理,及時發現隱患,以確保弧形閘門安全運行。

3.6蝕余厚度法的討論

圖7　兩種模擬方法下面板局部銹蝕區等效應力隨銹蝕深度變化

工程實踐中,在銹蝕坑出現位置直接運用蝕余厚度法難以反映銹蝕坑的實際形態,但由于該方法簡單易行而在閘門銹蝕有限元分析中得到廣泛應用。本文所用節點厚度法相當于銹蝕坑從邊緣向中心逐漸加深,如圖2,更符合銹蝕坑的實際形態。結合面板局部銹蝕區域(圖3),分別運用蝕余厚度法與節點厚度法模擬該區域的銹蝕,其中,用節點厚度法建立的銹蝕坑相鄰、連續地布置在該區域,提取兩種模擬方法計算得到的該區域最大等效應力并繪制隨銹蝕深度的變化曲線見圖7。

由圖7可知,對該弧形閘門面板局部銹蝕區域運用單元均勻減薄(蝕余厚度法)與均勻設立銹蝕坑(節點厚度法)計算結果分析可知：當銹蝕深度為1mm時,兩者的計算結果相差6.7%,銹蝕深度為3mm時,計算結果相差達17.8%,銹蝕深度達到5mm時,計算結果相差達到了34.3%,且兩種方法的計算結果差距隨銹蝕深度的增加而明顯加大。蝕余厚度法是直接對銹蝕區域進行折減,忽略了銹蝕坑的實際形態,而節點厚度法所建立的銹蝕坑較好地符合銹蝕坑的實際銹蝕形態,計算結果更符合閘門實際狀態。

4結語

弧形閘門銹蝕后,會影響閘門的工作性態,會引起閘門應力集中、應力分布變化明顯、變形增大,且隨著銹蝕深度的增加,其影響愈發明顯,尤其當銹蝕坑位于銹蝕敏感部位時,對閘門應力的影響更大,因此對閘門銹蝕敏感區應重點關注；本文建立銹蝕坑的方法可以精確地將銹蝕坑的位置、形態反應在弧形閘門上,所建立的銹蝕坑更貼近閘門銹蝕坑的實際形態。在弧形閘門有限元分析中,應盡量建立反映銹蝕坑形態的離散模型,以獲得更真實的閘門運行狀態。

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(責任編輯高瑜)

收稿日期：2015- 11- 18

作者簡介：王超(1988—),男,江蘇新沂人,碩士研究生,研究方向為水工結構；黃銘(通訊作者)．

中圖分類號：TV34

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0072- 05

FiniteElementAnalysisofRadialGateConsideringCorrosionForms

WANGChao,HUANGMing

(SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,Anhui,China)

Abstract:The 3D finite element models are established for the radial steel gate of a reservoir spillway by software ANSYS. The corrosion finite element models of radial gate are also established according to corrosion detection data of radial gate to simulate uniform corrosion and local corrosion. The calculation results show that, (a) the stress distribution of gate is significantly changed and the strength and stiffness also have different degrees of reduction after corrosion; and (b) the corrosion pits have a greater effect on the stress of gate panel when they are located in sensitive part of gate. The research results can be used to analyze the rigidity and strength of radial gate in service, and provide some references for the daily management of radial gate and the calculation of corrosion．

Key Words:radial gate; finite element method; corrosion form; work performance