鋼結構底鉸鏈翻板閘強度的有限元分析

吳曉峰

（衢州江匯翻板閘門有限公司，浙江衢州324000）

0 引言

水力翻板閘是水工閘門的一種，被廣泛應用于水利工程中，起到防洪、蓄水作用，其中以連桿滾輪式翻板閘及中部鉸鏈式翻板閘最為常見，這兩種翻板閘在泄洪時，過流水流從閘板底部和上部流過，然后匯流；閘板返回時，由于泄洪過程中水流夾雜著雜草和樹枝，可能造成閘門底部關閉不嚴，難以密封[1-4]。底鉸鏈翻板閘由于鉸鏈設置在閘板底部，開閘泄洪徹底，關閘有效地防止了夾雜的產生，底部易于密封，因此近年來底鉸鏈翻板閘逐漸流行起來[5]。底鉸鏈翻板閘雖有上述優點，但蓄水時閘板迎水面承受著很大的水壓力，此水壓力對底鉸鏈軸產生很大的力矩，使底鉸鏈軸與閘板相交處產生較大的變形及應力，因此保證閘板具有足夠的強度是安全使用底鉸鏈翻板閘的關鍵。

綜上所述，針對某現場的跨度為12 m、高度為4 m的底鉸鏈翻板閘，擬采用ANSYS軟件構建實體和板殼相結合的有限元模型，處理閘板的復雜結構，采用該有限元模型進行閘板的靜強度分析，并對閘板的強度薄弱點進行結構補強的有限元模擬，以便為翻板閘的安全運行提供有力的理論支持。

1 底鉸鏈翻板閘的結構組成及工作原理

1.1 底鉸鏈翻板閘結構組成

分析的對象為一款液壓式底鉸鏈翻板閘門，由地基1、1塊閘板2、2套閘板傾動機構3、2個閘板支座4、2套橫梁限位機構5、2個支墩6等組成。此翻板閘門為一對稱結構，閘板2處于河道中部，閘板傾動機構3、閘板支座4、橫梁限位機構5等處于河道擋墻之外。閘板傾動機構是由油缸支座3-1、擺動油缸套3-2、油缸桿3-3、安裝在閘板軸兩端的搖臂2-2、地基1組成的四桿機構，此機構負責閘板傾動。橫梁限位機構5是由限位橫梁5-4、連桿5-3、油缸桿5-2、固定在地基上的油缸套5-1組成的四桿機構，此機構的功能是蓄水時橫梁限位閘板，使閘板傾動機構的擺動油缸無需保壓。

圖1 液壓式底鉸鏈翻板閘蓄水示意圖

圖2 液壓式底鉸鏈翻板閘過流示意圖

1.2 底鉸鏈翻板閘工作原理

蓄水時，擺動油缸桿3-3伸長，驅動閘板2順時針轉動，當閘板2轉動的角度略大于90°時，焊在閘板2的轉臂2-2轉過的角度也大于90°，此時驅動橫梁限位機構5，油缸桿5-2伸長并帶動連桿5-3，連桿5-3帶動限位橫梁5-4水平逆時針轉動，當限位橫梁5-4轉到河道擋墻1-1凹槽及外墻1-2的凹槽內，并處在搖臂2-2右端平面2-4上方時，橫梁限位機構5停止運動，閘板傾動機構3的油缸卸壓，在水壓及自身重力作用下閘板2有逆時針轉動的趨勢，限位橫梁5-4受到向上的力，由于河道擋墻1-1凹槽及外墻1-2的凹槽約束的作用，限位橫梁5-4受到向下的約束力，以此約束力抵抗蓄水時閘板2受到水壓力及水力矩。

泄洪時，擺動油缸桿3-3稍微伸長，驅動閘板2順時針小角度轉動，此時限位橫梁5-4卸載，垂直方向僅受自身重力，此時驅動橫梁限位機構5，油缸桿5-2收縮并帶動連桿5-3，連桿53帶動限位橫梁5-4水平順時針轉動，當限位橫梁5-4移開搖臂2-2右端平面2-4時，橫梁限位機構5停止運動。此時閘板傾動機構3不受限制，擺動油缸桿3-3收縮，驅動閘板2逆時針轉動，開閘泄洪。泄洪時，閘板2平放在有橡膠墊的支墩6上。

2 底鉸鏈翻板閘的有限元模型

2.1 分析的對象

強度分析的對象為底鉸鏈翻板閘的閘板，閘板的跨度為12 m，高度為4 m，如圖3所示。閘板本體2-1由鋼板焊接而成，閘板本體底部焊有一圓軸2-3。圓軸的兩側各焊有一搖臂2-2，且搖臂2-2和閘板2-1本體呈45°夾角，可使閘板傾動機構的油缸的行程較小。蓄水時，依靠密封條7實現閘板2的密封，密封條7安裝在地基、河道擋墻1-1及河道內。

圖3 液壓式底鉸鏈翻板閘閘板

2.2 有限元模型

閘板為一復雜的結構件，其板面由縱橫交錯的薄鋼板焊接而成，如果采用實體單元劃分，將會產生大量的單元。因此對板面的薄鋼板選用板殼單元，對軸及搖臂選用實體單元，其幾何模型如圖4所示，并對以上單元設置材料參數，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3。劃分單元時，板面的厚度10 mm定義為板殼元的實常數，然后把鋼板及筋板劃分成規則的矩形，軸的中部采用拖拉、掃略網格，軸的兩端及轉臂采用自由網格劃分，共劃分10 960個板殼單元，66 550個實體單元，通過以上操作，得到有限元模型。

圖4 閘板的幾何模型

蓄水時閘板受力最大，加載時對有限元模型加入重力場。兩端軸頭的圓柱面及轉臂頂端平面（圖3中2-4面）加入固定約束。按蓄水水面超過板面頂部0.2 m的極限工況，在板面的迎水面加入水壓力函數，使水壓力在板面高度方向形成梯形壓力。

3 有限元強度分析結果

經求解，得到該翻板閘的應力分布，如圖5所示。由圖5可知，該翻板閘的最大應力發生在閘板板面與底鉸鏈軸的相交處（圖5 中MX 處），最大應力為326 MPa，超過了Q235的屈服極限（235 MPa），因此結構需要加強。

圖5 閘板的應力分布

4 結構改進

鑒于以上原因，對該翻板閘進行了結構改進，在背水面的閘板板面與底鉸鏈軸的相交處加入了10 mm 后的通板，使其相交處形成了箱形結構，經有限元試算后，其閘板底部的最大應力下降到212 MPa，小于板材的屈服極限（如圖6），說明改進是有效的。

圖6 閘板結構改進后應力分布

5 結論

底鉸鏈翻板閘具有可防止夾雜產生、底部易于密封的優點，但蓄水時閘板迎水面承受著很大的水壓力，造成了閘板產生較大應力，因此保證閘板具有足夠的強度是安全使用底鉸鏈翻板閘的關鍵。

對跨度為12 m、高度為4 m的底鉸鏈翻板閘進行了有限元計算，得到該翻板閘的最大應力發生在閘板板面與底鉸鏈的相交處，最大應力為326 MPa，超過了一般鋼材的屈服極限。對該翻板閘進行了結構改進，在背水面的閘板板面與底鉸鏈的相交處加入了10 mm厚的通板，使其相交處形成了箱形結構，經有限元試算后，其閘板底部的最大應力下降到212 MPa。板面的鋼板及筋板采用板殼單元，軸的中部采用拖拉、掃略網格，軸的兩端及轉臂采用自由網格劃分，使單元數大為減少，實現了用有限元方法計算復雜結構翻板閘閘板的強度計算。