基于SolidWorks和ANSYS Workbench的平面鋼閘門三維有限元分析

馬洪山 徐志林 艾存峰

(1.遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院， 遼寧 沈陽 110003；2.遼寧省水利水電科學(xué)研究院， 遼寧 沈陽 110003；3.本溪泓源供水有限責(zé)任公司， 遼寧 本溪 117000)

基于SolidWorks和ANSYS Workbench的平面鋼閘門三維有限元分析

馬洪山1徐志林2艾存峰3

(1.遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院， 遼寧 沈陽 110003；2.遼寧省水利水電科學(xué)研究院， 遼寧 沈陽 110003；3.本溪泓源供水有限責(zé)任公司， 遼寧 本溪 117000)

大型水工平面鋼閘門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在以往剛度、強(qiáng)度校核時(shí)，按照常規(guī)平面體系得到的計(jì)算結(jié)果不能有效反映閘門的空間效應(yīng)。本文基于SolidWorks和ANSYS Workbench軟件對(duì)渾河閘水利工程的平面鋼閘門進(jìn)行三維有限元分析，對(duì)面板、主橫梁等主要構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。從分析結(jié)果可以看出，面板和主梁的強(qiáng)度、主要受彎構(gòu)件的剛度計(jì)算結(jié)果均小于材料容許值，證明該方法切實(shí)可行，可為平面鋼閘門的設(shè)計(jì)、安全檢測(cè)和評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

三維有限元；平面鋼閘門；SolidWorks；ANSYS Workbench

1 引 言

鋼閘門是用來關(guān)閉、開啟或局部開啟水工建筑物中過水孔口的活動(dòng)結(jié)構(gòu)[1]，是一種典型的水工金屬結(jié)構(gòu)，其安全性和適用性直接影響水利工程的整體安全和經(jīng)濟(jì)效益。閘門門葉結(jié)構(gòu)包括面板、主橫梁、次梁、邊梁和加勁肋等構(gòu)件，通常采用同一層的布置方式，即將主橫梁、次梁等直接與面板相連接,以提高閘門的整體剛度。中國(guó)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范[2]在平面鋼閘門設(shè)計(jì)過程中，按平面結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)方法，將鋼閘門拆分成單獨(dú)的構(gòu)件，不能準(zhǔn)確描述各構(gòu)件間的聯(lián)系[3]。近年來，有限元方法迅速發(fā)展，其方便性、實(shí)用性和有效性在結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析中優(yōu)勢(shì)明顯，不少學(xué)者[4-6]將有限元方法引入到平面鋼閘門的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中，用以計(jì)算鋼閘門各構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變大小及分布情況，取得了良好效果。

SolidWorks是一款應(yīng)用廣泛的CAD三維軟件，其CAD功能非常強(qiáng)大，可以方便地完成三維建模，并能通過其數(shù)據(jù)傳輸接口與其他CAE軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ANSYS Workbench是ANSYS公司提出的新一代協(xié)同仿真環(huán)境，與ANSYS經(jīng)典界面相比，ANSYS Workbench對(duì)于底層進(jìn)行了大量的封裝，在模型的處理、網(wǎng)格劃分、后處理功能等方面優(yōu)勢(shì)明顯[7]，適合對(duì)于工程實(shí)際的仿真模擬。本文選取某水利工程中平面鋼閘門作為分析對(duì)象，應(yīng)用SolidWorks構(gòu)建三維鋼閘門模型，通過其數(shù)據(jù)接口將模型轉(zhuǎn)至ANSYS Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析，為鋼閘門的安全檢測(cè)和評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

2 SolidWorks實(shí)體建模

渾河閘水利工程的平面鋼閘門尺寸(寬×高)為6.210m×5.200m，閘門上游設(shè)計(jì)水位36.0m，閘門下游無水，堰頂高程為33.00m，閘門作用水頭3m。鋼閘門的梁系結(jié)構(gòu)采用同一層布置，門葉結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，主橫梁從下至上依次編號(hào)為1～4號(hào)，橫向次梁從下至上依次編號(hào)為1～6號(hào)，豎向次梁從左至右依次編號(hào)為1～7號(hào)。為方便計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，不考慮鋼閘門結(jié)構(gòu)中孔洞對(duì)結(jié)構(gòu)整體的影響。

圖1 門葉布置(單位： mm)

閘門面板尺寸為6.210m×5.200m×0.010m。主橫梁采用工字梁形式，前翼板與面板焊接，尺寸為6.094m×0.160m×0.012m；腹板尺寸為6.094m×0.462m×0.012m；后翼板尺寸為5.910m×0.220m×0.016m。橫向次梁采用槽鋼18號(hào)a，L=6.094m。邊梁采用T字梁形式，腹板與面板焊接，尺寸為5.200m×0.474m×0.016m；翼板尺寸為5.200m×0.150m×0.016m。其他構(gòu)件尺寸按設(shè)計(jì)資料取用。通過SolidWorks建立的三維模型如圖2所示。

圖2 SolidWorks三維實(shí)體建模

3 ANSYS Workbench有限元分析

3.1 計(jì)算模型

在SolidWorks中使用ANSYS Workbench插件，即可實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型在CAD/CAE軟件之間的雙向刷新、協(xié)同建模，可以提高有限元建模和分析的效率。在 ANSYS Workbench中不需要定義單元類型，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)導(dǎo)入的結(jié)構(gòu)和模型的形狀自動(dòng)為其選擇最合適的單元類型，考慮運(yùn)算量和單元的復(fù)雜程度，在滿足一般求解和分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)會(huì)給出較高級(jí)的單元。在網(wǎng)格劃分過程中，考慮有限元分析的精度和效率，對(duì)形體簡(jiǎn)單的構(gòu)件使用掃掠網(wǎng)格劃分，對(duì)由多個(gè)形體簡(jiǎn)單部分組成的構(gòu)件采用多域掃掠型網(wǎng)格劃分，對(duì)形體復(fù)雜的構(gòu)件采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分。有限元網(wǎng)格劃分單元數(shù)16113，節(jié)點(diǎn)數(shù)127417(圖3)。

圖3 鋼閘門有限元模型

3.2 材料屬性及荷載約束

鋼閘門主要構(gòu)件的材料為Q235A(普通低碳鋼，A級(jí))，材料彈性模量取E=2.06E11Pa，泊松比取μ=0.30，容重取γ=78.5kN/m3。

根據(jù)實(shí)際工程布置，閘門面板側(cè)為上游，梁系結(jié)構(gòu)側(cè)為下游。閘門底部受垂向(z方向)約束，因門槽的作用閘門在邊梁處受水流方向(y方向)的約束。計(jì)算荷載主要考慮作用于鋼閘門的靜水壓力和閘門自重。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 強(qiáng)度校核

根據(jù)鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，鋼材的容許應(yīng)力由鋼材的厚度決定，由于閘門主要構(gòu)件厚度均不大于16mm，屬于Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼中第一組，抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度[σ]=160MPa，抗剪強(qiáng)度[τ]=95MPa。對(duì)于大中型工程的鋼閘門，應(yīng)在原容許應(yīng)力基礎(chǔ)上乘以調(diào)整系數(shù)0.90～0.95，對(duì)于該工程取用0.95，所以調(diào)整后的容許應(yīng)力為[σ]′=0.95×160MPa=152.0MPa，[τ]′=0.95×95MPa=90.3MPa。

圖4 面板背水側(cè)第一主應(yīng)力云圖

a. 面板。可在設(shè)計(jì)水位工況下，面板最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)為25.2MPa，出現(xiàn)在面板背水側(cè)1號(hào)橫向次梁與1號(hào)、7號(hào)豎向次梁連接處，面板背水側(cè)第一主應(yīng)力云圖如圖4所示；面板的最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)為25.1MPa，出現(xiàn)在面板背水側(cè)1號(hào)主橫梁與4號(hào)豎向次梁連接處下方，面板背水側(cè)第三主應(yīng)力云圖如圖5所示；面板的最大剪應(yīng)力為xz向，大小為9.4MPa，出現(xiàn)在面板背水側(cè)1號(hào)主橫梁與1號(hào)、7號(hào)豎向次梁連接處，面板背水側(cè)xz向剪應(yīng)力云圖如圖6所示。面板的最大主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力均小于材料的容許正應(yīng)力和容許剪應(yīng)力，面板強(qiáng)度滿足要求。

圖5 面板背水側(cè)第三主應(yīng)力云圖

圖6 面板背水側(cè)xz向剪應(yīng)力云圖

b. 主橫梁。在設(shè)計(jì)水位工況下，主橫梁的最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)為56.5MPa，出現(xiàn)在1號(hào)主橫梁后翼緣跨中處，主橫梁第一主應(yīng)力云圖如圖7所示；主橫梁的最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)為64.9MPa，出現(xiàn)在1號(hào)主橫梁腹板與邊梁后翼緣連接處，主橫梁第三主應(yīng)力云圖如圖8所示；主橫梁的最大剪應(yīng)力為xy向，大小為25.1MPa，出現(xiàn)在1號(hào)主橫梁與1號(hào)、5號(hào)縱向次梁連接處，主橫梁xy向剪應(yīng)力云圖如圖9所示。所有主橫梁的最大主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力均小于材料的容許正應(yīng)力和容許剪應(yīng)力，主橫梁強(qiáng)度滿足要求。

圖7 主橫梁第一主應(yīng)力云圖

圖8 主橫梁第三主應(yīng)力云圖

圖9 主橫梁xy向剪應(yīng)力云圖

4.2 剛度校核

對(duì)于主橫梁、橫向次梁等受彎構(gòu)件，對(duì)總體撓度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行剛度校核。根據(jù)《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》[8]規(guī)定，對(duì)于露頂式鋼閘門，橫梁的最大撓度與計(jì)算跨度的比值不應(yīng)超過1/600。該閘門主橫梁、橫向次梁計(jì)算跨度分別取5.910m和6.094m，可知主橫梁、橫向次梁的最大撓度容許值為9.85mm和10.16mm。

a. 主橫梁。各主橫梁最大總體撓度值如圖10所示，總體撓度云圖如圖11所示。總體撓度從下至上逐步減小，主橫梁最大撓度值為1.64mm，小于撓度容許值9.85mm，閘門主橫梁的剛度滿足要求。

圖10 各主橫梁最大總體撓度值

圖11 主橫梁總體撓度云圖

b. 橫向次梁。各橫向次梁最大總體撓度值如圖12所示，總體撓度云圖如圖13所示。總體撓度從1號(hào)次梁至5號(hào)次梁依次減小，在6號(hào)次梁處出現(xiàn)反向彎曲現(xiàn)象。由圖12可知橫向次梁最大撓度值為1.78mm，小于撓度容許值10.16mm，閘門橫向次梁的剛度滿足要求。

圖12 各橫向次梁最大總體撓度值

圖13 橫向次梁總體撓度云圖

5 結(jié) 論

基于SolidWorks和ANSYS Workbench的三維有限元分析，所建立的數(shù)值模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)基本一致，計(jì)算分析過程簡(jiǎn)明快捷。從分析結(jié)果可以看出，通過對(duì)空間體系有限元計(jì)算得到的鋼閘門面板、主橫梁等主要構(gòu)件滿足規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度和剛度要求，驗(yàn)證了模型的可行性。該方法操作直觀便捷，結(jié)果清晰明了，適合對(duì)大中型水利工程的平面鋼閘門進(jìn)行強(qiáng)度、剛度復(fù)核，計(jì)算成果對(duì)鋼閘門的設(shè)計(jì)、后期安全評(píng)價(jià)有一定的參考價(jià)值。

[1] 范崇仁.水工鋼結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.

[2] 中華人民共和國(guó)水利部.SL 74—2013水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2013.

[3] 葉永豐,楊光明.后止水平面鋼閘門結(jié)構(gòu)加固有限元分析[J].人民黃河,2015,37(7):110-116.

[4] 雒翠.ANSYS在平面鋼閘門三維有限元分析中的應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn),2008,8(5):104-105.

[5] 仇強(qiáng),仇美,劉福勝,等.應(yīng)用于河道中的新型鋼閘門靜力特性有限元分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2009,7(3):14-22.

[6] 紀(jì)偉,任玉珊.基于有限元法的平面鋼閘門結(jié)構(gòu)整體性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].人民珠江,2015,3:76-81.

[7] 袁越錦,徐英英,張艷華.ANSYSWorkbench14.0建模仿真技術(shù)與實(shí)例詳解[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013:8-12.

[8] 中華人民共和國(guó)水利部.SL 226—1998水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,1998.

Three-dimensional finite element analysis of plane steel gate based on SolidWorks and ANSYS Workbench

MA Hongshan1, XU Zhilin2, Al Cunfeng3

(1.LiaoningJiangheWaterResourcesandHydropowerNewTechnologyDesignandResearchInstitute,Shenyang110003,China;2.LiaoningResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Shenyang110003,China；3.BenxiHongyuanWaterSupplyCo.,Ltd.,Benxi117000,China)

Large hydraulic plane steel gate structure has complex structures. The calculation results obtained according to conventional planar systems cannot reflect the space effect of the gate effectively in previous verification of stiffness and strength. In the paper, 3D finite element analysis is implemented on the plane steel gate of one water conservancy project based on SolidWorks and ANSYS Workbench, and the strength and the stiffness are verified for main components, such as panels, main crossbeam, etc. Analysis results show that the calculation results of the strength of the panel and main girders as well as the strength of the main bending components are smaller than the allowable value of materials. It is proved that the method is feasible, thereby providing reference for the design of plane steel gate, safety inspection and evaluation.

3D finite element; plane steel gate; SolidWorks; ANSYS Workbench

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.07.006

TV66

B

1005-4774(2017)07- 0018- 05