有限元法在船閘閘首結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

蘇楊中

摘 要：有限元法是近些年提出的一種相對(duì)高效率的方法，對(duì)于微分方程等的解析有著相當(dāng)快速的解決方式，使用這種方法來離散化微分方程之后就能夠使用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行快速高效率的求解過程。船閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用這樣的方法可以有效的解決生產(chǎn)過程中常見的一些問題，有著廣泛的應(yīng)用范圍和高效率的應(yīng)用效果，因而有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：有限元法;船閘閘首結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U641 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）12-0070-02

船閘的閘首結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中經(jīng)常會(huì)遇到一些問題，針對(duì)這些問題可以應(yīng)用有限元法進(jìn)行處理和解決，這樣一來就可以設(shè)計(jì)出效果更好的閘首結(jié)構(gòu)，確保其應(yīng)用的效果和安全性。

1 相關(guān)背景

船閘在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中如果在標(biāo)準(zhǔn)算法之外采取進(jìn)一步的考慮和分析措施的話，可以有效的將材料中非線性因素以及三維結(jié)構(gòu)因素考慮到設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，這樣一來就能夠促進(jìn)閘首的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。但是通常采取的設(shè)計(jì)方法并沒有采取這些相關(guān)的方法，針對(duì)這樣的問題，文章采取了建立大型船閘基礎(chǔ)的三維有限元模型的方式來考慮基礎(chǔ)材料的非線性，采用duncan- -zhang模型和abaqus軟件進(jìn)行分析。閘門的應(yīng)力分布和變形特性。結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)算法在船閘設(shè)計(jì)中具有較大的安全裕度，但閘墩與底板的夾角是不安全的。進(jìn)一步將船體的結(jié)構(gòu)材料以及材料自有的結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及尺寸進(jìn)行綜合考慮，通過合理設(shè)置基礎(chǔ)、底板、回填和閘門基礎(chǔ)的接觸面，可以計(jì)算不同類型的工作。驗(yàn)證了計(jì)算的結(jié)果合理性之后就可以得出閘門結(jié)構(gòu)的應(yīng)力合理性或者不合理之處。

2 工程概況

船體運(yùn)行過程中閘首的工作穩(wěn)定性可以說是船體整體安全性的關(guān)鍵所在，文中提到的方法應(yīng)用了一種典型的空間結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在在對(duì)類似的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析考慮的時(shí)候最常用的方法主要包括三維分析和平面分析。由于各種情況。以往，分析方法主要用于船閘的設(shè)計(jì)，但這種方法不能真實(shí)反映船閘三維結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。即使采用平面有限元法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，也只是為了提高計(jì)算精度，并不能真正解決鎖頭空間結(jié)構(gòu)問題。進(jìn)行了應(yīng)力、變形和模態(tài)分析的基礎(chǔ)上就能夠進(jìn)行更加深入的有限元分析過程，而在此基礎(chǔ)上使用計(jì)算機(jī)的分析軟件可以自發(fā)的對(duì)閘首的結(jié)構(gòu)情況以及一些具體的荷載問題進(jìn)行分析，最終將結(jié)構(gòu)問題簡(jiǎn)化到計(jì)算網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中進(jìn)行自發(fā)的分析，進(jìn)而就得到了復(fù)合材料、鋼筋混凝土、高壓收縮彈性泡沫及各種巖土工程材料的性能。應(yīng)用ABAQUS有限元軟件可以在考慮到材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的條件下獲得一些非線性的因素并進(jìn)一步對(duì)典型的工程問題進(jìn)行自發(fā)的預(yù)算和求解。考慮到船閘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)力特性，以及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，船閘的內(nèi)力是求解實(shí)際工況下的實(shí)體三維非線性有限元法。嘉陵江船閘為三級(jí)水工建筑物。船閘的下方主要是使用鋼筋混凝土制作的一塊地板，其中底部材料為C25，邊墩采用的材料室C15混凝土，30米長(zhǎng)，除此之外連接的部分采用鋼結(jié)構(gòu)人字門，基礎(chǔ)主要由砂質(zhì)粘土巖組成。

3 模型求解

3.1有限元模型和計(jì)算方法

用解析法計(jì)算的材料參數(shù)相同。根據(jù)有限元分析的原理和閘首結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，模擬了側(cè)墩、底板、回填和地基土的相互作用。該模型包含78421個(gè)元素和91620個(gè)節(jié)點(diǎn)，閘門的頂端使用的是六面體的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)的構(gòu)建的，碼頭底部和側(cè)面構(gòu)件的最大尺寸為0.8米。走廊中元素的最大大小為0.4米，而空盒的最大尺寸則是6分米，除此之外需要構(gòu)建回彈結(jié)構(gòu)單元，對(duì)這些單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的過程中最常見的方式是二次折減計(jì)分法等來調(diào)整網(wǎng)格模型的網(wǎng)格。

3.2非線性因素的處理

根據(jù)考慮材料的理想彈塑性體計(jì)算模型，將虎克定律應(yīng)用于混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系中。在“模型計(jì)算和分析”選項(xiàng)中，參數(shù)設(shè)置為“開”。在帶有*的節(jié)點(diǎn)上，該選項(xiàng)定義局部方向，該方向在整個(gè)分析過程中保持不變、不變和不旋轉(zhuǎn)。使用inc參數(shù)指定最大允許增量25的步驟。-采用接觸算法模擬主、從表面之間的總接觸，包括接觸表面的定義和接觸表面本構(gòu)關(guān)系的定義。在砌磚過程中，應(yīng)考慮墩臺(tái)與地面、墩臺(tái)與地面、墩臺(tái)與地面的接觸。建立了回填、回填、基礎(chǔ)、墩和側(cè)墩擋土墻之間的相互作用和接觸參數(shù)，有限元模型中的接觸關(guān)系設(shè)置。

3.3閘門的處理

人字門是一種復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用的過程中要解決這樣的問題的話需要使用板殼的結(jié)構(gòu)單元，這樣的結(jié)構(gòu)單元可以模擬出閘首結(jié)構(gòu)當(dāng)中常用的門柱主梁和腹板等多方面的內(nèi)容。門的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有六個(gè)自由度。在閘門樞軸的水平面上，沿兩個(gè)拉桿的方向和閘門下樞軸的垂直方向設(shè)置連桿約束。關(guān)門時(shí)，沿拱壓方向設(shè)置位移約束，沿垂直方向設(shè)置斜柱和垂直軸鎖門槽位移約束。門是鎖的關(guān)鍵部分，船體在運(yùn)行的過程中閘門是否能夠穩(wěn)定的運(yùn)行會(huì)直接影響到整個(gè)船結(jié)構(gòu)的安全性，門是典型的空間結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在最常用的對(duì)閘門進(jìn)行計(jì)算的方式主要包括簡(jiǎn)化的工作方式，一般都是將空間問題進(jìn)行降維處理，用二維的方式進(jìn)行處理通常來說因?yàn)閺?fù)雜的條件的影響，傳統(tǒng)化的船閘設(shè)計(jì)都會(huì)使用解析法來進(jìn)行解構(gòu)的構(gòu)建和設(shè)計(jì)，但是從根本上來說的話這種方法并不能夠充分的反映出三維結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中的性能情況。即使采用平面有限元法計(jì)算船閘結(jié)構(gòu)內(nèi)力，也只能提高計(jì)算精度，但是如果能夠使用有限元的分析軟件的話就能夠充分的解決這樣的問題，模型符合計(jì)算機(jī)程序的要求。輸入閘門結(jié)構(gòu)模型的基本模型和閘門的結(jié)構(gòu)荷載，根據(jù)網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)模型自動(dòng)劃分網(wǎng)格，計(jì)算了應(yīng)力和變形以及模態(tài)分析。相對(duì)于傳統(tǒng)的分析軟件來說，有限元分析軟件有著更加強(qiáng)大的處理功能，針對(duì)十分復(fù)雜的力學(xué)問題都能夠一定程度上進(jìn)行解決，由于有限元軟件有著相對(duì)更加豐富的材料庫(kù)和單元庫(kù)，因而可以對(duì)于十分復(fù)雜的材料形狀和性質(zhì)進(jìn)行模擬，可以模擬最典型的工程材料。

3.4加載與計(jì)算求解

為了更好地模擬頭部的實(shí)際受力，采用了階梯加載法。首先，將重力法應(yīng)用于地基土的初始應(yīng)力分析，隨后以不增加閘門應(yīng)用的構(gòu)件的條件下來重新進(jìn)行回填重載問題，進(jìn)而可以對(duì)閘門的建筑物進(jìn)行重復(fù)的荷載施加問題，最終能夠良好的處理基礎(chǔ)問題。根據(jù)閘門在不同工況下前后水位的變化，對(duì)閘門單元施加不同的水頭壓力。在這樣的條件下就可以從結(jié)構(gòu)進(jìn)行閘首的豎向結(jié)構(gòu)分析過程。但是從結(jié)果來看的話閘首結(jié)構(gòu)當(dāng)中的頭部地板和邊廊結(jié)構(gòu)之間也有著較大的位移，從這一角度進(jìn)行分析的話可以看出其間存在了相對(duì)較大的應(yīng)力，這也是頭部結(jié)構(gòu)最薄弱的一部分。計(jì)算了不同制動(dòng)頭的載荷組合。在相同工況下，接觸點(diǎn)和底板位移最大的下游閘門、接觸點(diǎn)位移和閘門下游同一特征點(diǎn)處于最大正常工作狀態(tài)。結(jié)果表明，閘前、閘后水位差是影響閘首豎向結(jié)構(gòu)位移的重要因素。頭部底板與邊墩、邊廊道接觸處的位移值也較大，說明這些部位的整體應(yīng)力較大，是頭部整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。在海峽兩岸碼頭同一位置，回填土壓力碼頭左側(cè)部分抵消了內(nèi)部水壓的影響。因此，正確的對(duì)應(yīng)點(diǎn)碼頭的位移明顯高于相應(yīng)的離開碼頭點(diǎn)的位移。

4 結(jié)束語

利用有限元分析軟件建立了船閘的三維有限元模型，模擬了船閘在任何位置的三維應(yīng)力和位移。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)。對(duì)各種組合的三維應(yīng)力和位移剖面進(jìn)行對(duì)比分析，可以直接反映在深度和位移有限的情況下鎖定船閘閘首的現(xiàn)實(shí)模擬。當(dāng)接地線不斷變化時(shí)，很容易模擬出真實(shí)的尖銳點(diǎn)和奇怪的接地形狀。網(wǎng)格生成的突然變化很容易導(dǎo)致應(yīng)力集中和收斂。因此，應(yīng)簡(jiǎn)化接地線，消除其尖角，這與實(shí)際情況略有不同。

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