內蒙古尼爾基水庫溢洪道工作閘門結構有限元分析

胡 博，耿長興，2，冀振亞，康 健，劉 彬

（1.水利部長春機械研究所，吉林 長春130012；2.長春工業大學電氣與電子工程學院，吉林 長春130012）

1 工程概況

尼爾基水利樞紐，位于黑龍江省與內蒙古自治區交界的嫩江干流上，壩址右岸為內蒙古自治區莫力達瓦達斡爾族自治旗尼爾基鎮，左岸為黑龍江省訥河市二克淺鎮，距下游工業重鎮齊齊哈爾市約189km。尼爾基水利樞紐總工期為5年，2006年12月底主體工程全部完工。

尼爾基水利樞紐工程正常蓄水位216.00m，校核洪水位219.90m，設計洪水位218.15m，水庫總庫容86.1億m3，總裝機為25萬kW，多年平均發電量6.387億kW·h。是1994年國務院批準的《松花江、遼河流域水資源綜合開發利用規劃》中推薦的一期工程，是國家“十五”計劃重點項目，也是國家實施“西部大開發戰略”標志性工程之一。

根據相關技術規程要求，閘門投入運行后5年內應進行首次檢測，首次檢測后，每6～10年應進行定期檢測，其中，安全檢測內容即包括復核計算[1]。為了從理論上驗算閘門的強度情況，本次對露頂式工作閘門進行了有限元計算分析，有限元分析計算的具體工況為：工作閘門在設計水頭（18.65m）的工況。

2 工程實例

2.1 三維模型的建立

依據提供的圖紙在Creo2.0中建立三維模型，具體如圖1、圖2所示。

2.2 有限元模型的建立

（1）模型的導入

圖1 閘門迎水面正視圖

圖2 閘門背水面正視圖

Creo2.0模型以step格式導入ANSYS16.0，經過對比驗證，導入模型正確，具體見圖3。

圖3 ANSYS中閘門模型

（2）單元體選擇

閘門仿真分析可以通過兩種方式實現：

1）三維實體有限元模型，使用solid45單元體，優點是模型細節體現較好，缺點是計算量較大，適合計算復雜空間幾何體；

2）三維片體有限元模型，使用shell63單元體，優點是計算量較小，缺點是無法體現例如焊接等細節部分。

為提高分析精度，本閘門仿真分析選擇solid45單元體，通過網格劃分，共劃分成125501個單元。

（3）結構尺寸及材料特性

結構外形尺寸按設計圖紙取用，閘門進行強度驗算時，材料的容許應力應按使用年限進行修正[2]：

式中：[σ]'-修正后的容許應力值；

K-使用年限修正系數，取0.90～0.95，鑒于本露頂式工作閘門運行狀況，此處取0.95；

[σ]-材料容許應力值。

閘門次梁及支臂桁架結構材料為Q235鋼，鋼材厚度均小于16mm，其余結構材料均為Q345鋼，鋼材厚度均小于 40mm。Q235 許用應力：[σ]’=152MPa（δ≤16時，[σ]=160MPa[3]）；Q345許用應力：[σ]’=214MPa（δ≤40，[σ]=225MPa[3]）。計算時，取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3[4]。

（4）約束處理

閘門底部受到鉛垂方向的支撐約束，兩支鉸處三個方向的位移為0，除此之外，所有節點均為自由節點。具體約束施加位置見圖4。

圖4 閘門約束圖示

（5）載荷的確定和施加

計算載荷主要考慮在閘門上的靜水壓力和閘門自重，有限元計算時按照設計圖紙上的設計水頭18.65m計算。具體載荷加載方式見圖5。

圖5 載荷加載示意圖

3 溢洪道工作閘門計算結果及分析

設計水頭下閘門總體和主要構件應力分布圖和變形圖見圖6～圖17，計算結果見表1。

圖6 閘門整體當量應力分布云圖

圖7 閘門整體變形分 布云圖

圖8 閘門面板當量應力分布云圖

圖9 閘門面板位移分 布云圖

圖10 上主梁當量應力分布云圖

圖11 上主梁位移分 布云圖

圖12 下主梁當量應力分布云圖

圖13 下主梁位移分布 云圖

圖14 中縱梁當量應力分布云圖

圖15 中縱梁位移分布 云圖

圖16 支臂當量應力分布云圖

圖17 支臂位移分布云圖

表1 工作閘門應力與變形一覽表

（1）閘門面板：最大當量應力值小于材料Q345的校核許用應力值；

（2）上主梁：最大當量應力值小于材料Q345的校核許用應力值，變形小于校核許用值；

（3）下主梁：最大當量應力值小于材料Q345的校核許用應力值，變形小于校核許用值；

（4）邊梁：最大當量應力值小于材料Q345的校核許用應力值；

（5）中縱梁：最大當量應力值小于材料Q345的校核許用應力值；

（6）次梁：最大當量應力值小于材料Q235的校核許用應力值，變形小于校核許用值；

（7）底梁：最大當量應力值小于材料Q235的校核許用應力值，變形小于校核許用值；

（8）支臂： 最大當量應力值小于材料Q345的校核許用應力值，變形小于校核許用值；

（9）支臂桁架及連接板：最大當量應力值小于材料Q345的校核許用應力值。

上述結果說明，工作閘門各主要構件受力均滿足設計要求。

4 有限元分析結論

經過仿真應力值與材料的許用值對比，得到以下結論：

閘門主要構件，包括面板、上下主梁、邊梁、中縱梁、次梁、底梁、支臂等，各自當量應力值整體均小于Q345或Q235鋼校核許用應力值，且各自最大變形值也小于規范的許用剛度值。