流冰碰撞下閘門的有限元分析

摘 要：在黃河開(kāi)河時(shí)期，經(jīng)常發(fā)生冰塞、冰壩等災(zāi)害，對(duì)水工建筑物造成破壞。文章運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)流冰撞擊閘門的過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，模擬了流冰撞擊閘門時(shí)冰和閘門的受力過(guò)程，同時(shí)繪制出不同速度下流冰的壓強(qiáng)曲線。文章從有限元仿真模擬研究上，對(duì)流冰碰撞水工建筑物問(wèn)題進(jìn)行了分析，為以后更深入的研究工作提供了參考。

關(guān)鍵詞：ANSYS/LS-DYNA；仿真模擬；流冰；閘門

黃河內(nèi)蒙古河段地處黃河流域最北端，由于緯度較高，因此造成氣溫上暖下寒，并且冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)，氣溫在0℃以下的時(shí)間可持續(xù)4～5個(gè)月，是穩(wěn)定封河河段。在開(kāi)河階段，極其容易發(fā)生冰壩、冰塞等險(xiǎn)情，并且大塊的流冰對(duì)水工建筑物會(huì)造成不同程度的破壞，因此，開(kāi)展流冰對(duì)建筑物的破壞研究意義重大。目前利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)撞擊問(wèn)題進(jìn)行模擬分析越來(lái)越普遍，文章利用此軟件對(duì)流冰撞擊閘門問(wèn)題進(jìn)行分析，希望可以為冰凌的防治工作提供一定參考。

1 流冰碰撞閘門的運(yùn)動(dòng)方程

在文章中，流冰碰撞閘門屬于低速度的非線性問(wèn)題，在碰撞的瞬間流冰將發(fā)生變形，整個(gè)碰撞的過(guò)程中伴隨著能量交換和吸收，在有限元方法中，其運(yùn)動(dòng)方程可以表示為

2 數(shù)值模型的建立

文章采用顯示六面體實(shí)體單元：SOLID164，建立三維實(shí)體模型，并采用沙漏粘性阻尼，以節(jié)省存儲(chǔ)量，增快計(jì)算速度，克服零能模式。

文章建立的有限元模型分為平板剛閘門和流冰兩部分，其中平板剛閘門部分由五根縱梁，兩根主梁，兩根次梁和面板組成，面板寬為2640mm，長(zhǎng)為3000mm，厚為20mm，主梁長(zhǎng)、寬、高分別為2640mm、80mm、320mm。冰的尺寸為2m×2m×0.2m，水深5m，根據(jù)冰撞擊閘門速度的不同，分別建立了流冰速度為0.5m/s、0.7m/s、1.0m/s、1.5m/s四種碰撞類型。

碰撞模型如圖1所示。

閘門跟流冰的材料參數(shù)如表1、表2所示。

3 流冰與閘門的碰撞分析

3.1 碰撞能量分析

流冰撞擊閘門是一個(gè)瞬間的過(guò)程，其能量交換也是在瞬間完成的，在動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過(guò)程中，整體的總能量是守恒的。具體的能量轉(zhuǎn)換為：開(kāi)始只有流冰具有動(dòng)能，碰撞后，轉(zhuǎn)化為冰塊變形破碎的能量、剩余的動(dòng)能、各物體之間因摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能、閘門的動(dòng)能和內(nèi)能和沙漏能。

碰撞過(guò)程中能量變化如圖2所示，曲線A表示動(dòng)能，曲線B表示內(nèi)能，曲線C表示總能量。由圖可以看出，當(dāng)流冰與閘門碰撞瞬間，流冰動(dòng)能突然減小，在0.002s時(shí)降到了最低，隨后在一個(gè)范圍內(nèi)有限的波動(dòng)。在整個(gè)撞擊過(guò)程中，開(kāi)始內(nèi)能為零，動(dòng)能最大，后來(lái)內(nèi)能大于動(dòng)能，說(shuō)明整個(gè)過(guò)程動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能。

3.2 碰撞時(shí)流冰應(yīng)力云圖

流冰在碰撞瞬間的第一主應(yīng)力云圖和第三主應(yīng)力云圖如圖3、4所示。

從圖中可以看出，在碰撞瞬間冰最大拉應(yīng)力為1.300×10-5Mpa，最大壓應(yīng)力為2.858×106pa，在碰撞后，冰的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都在減小。

3.3 碰撞時(shí)閘門的應(yīng)力云圖

在碰撞瞬間閘門的第一主應(yīng)力云圖和第三主應(yīng)力云圖5、圖6所示。

由圖可以看出，在碰撞瞬間，閘門的最大拉應(yīng)力為2.700×10-4Mpa，最大壓應(yīng)力為3.457×10-5Mpa。

分析流冰和閘門接觸部分的單元，找到應(yīng)力最大的單元，如圖7所示，單元所受到的應(yīng)力在碰撞的瞬間急劇增加，0.07s左右達(dá)到最大壓應(yīng)力值，約1.49×107Pa，小于鋼材的屈服應(yīng)力2.9×107Pa，所以閘門在碰撞中沒(méi)有發(fā)生破壞。

4 不同流冰速度對(duì)冰壓強(qiáng)的影響

在流冰尺寸為2m×2m×0.2m，流冰速度分別為0.5m/s、0.7m/s、1.0m/s、1.5m/s時(shí)繪制出冰體壓強(qiáng)趨勢(shì)如圖8所示，從圖中可以看出，隨著流冰速度的增加，冰體壓強(qiáng)呈增大趨勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

作者還做了當(dāng)流冰的長(zhǎng)寬都為2m×2m時(shí)，冰的厚度分別為0.1m、0.3m時(shí)候閘門的分析，分析得出當(dāng)流冰速度分別為0.5m/s、0.7m/s、1.0m/s、1.5m/s時(shí)候，閘門所受的最大壓強(qiáng)都小于鋼材的屈服應(yīng)力，閘門不會(huì)受到破壞。但是當(dāng)流冰的長(zhǎng)寬繼續(xù)同步增大時(shí)，閘門所受的壓強(qiáng)也隨著增大，因此應(yīng)提前對(duì)大體積流冰進(jìn)行爆破，以防止對(duì)水工建筑物造成破壞。

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作者簡(jiǎn)介：楊再云，男，漢族，云南麗江，工程碩士，華北水利水電大學(xué)，研究方向：水工結(jié)構(gòu)。