基于OptiStruct 某閘壩的雙扉門結構設計及研究

王建青 梁 鵬 藍益華

杭州國電機械設計研究院有限公司 杭州 310030

0 引言

隨著市民對周邊居住環境要求越來越高，城市內河的綜合治理成為當地政府的重要任務，建設閘壩不僅可以調節水位、減輕城市內澇，還可改善水環境、美化城市景觀。在水利河道閘壩工程中應用較廣泛的是平面鋼閘門，具有結構簡單、運行可靠、制作安裝及維護檢修方便、閘室短等優點，但平板閘門的啟閉需要高大的啟閉排架，使整座建筑物與周圍環境不協調，影響景觀和環境[1]。雙扉門投資少，啟閉排架高度低，易融入周圍環境景觀，應用越來越多。

雙扉門分為上扉門和下扉門，兩扇閘門分別在各自的工作門槽軌道里上下運行[2]。上扉門平時主要放置于閘孔上方的鎖定梁上，使用頻率較小，只有當水位超過下扉門門體高度時才從鎖定梁放下與下扉門閉合參與擋水任務。下扉門主要放置于閘室口門底坎上，主要作用是擋水、充水和泄洪。當洪水水位過高需開啟閘門泄洪時，上扉門與下扉門同時提起，承擔部分泄洪任務[3]。

到目前為止，對于雙扉門設計布置及應用的文獻較多，研究閘門的靜力學、動力學分析研究較少。本文以某城市內河綜合治理中的閘壩工程所選用雙扉門為研究對象，以Hypermesh14.0、OptiStruct 為前后處理軟件，分析了此工程中上下扉門門葉的靜力學特征和動力學模態特征，計算得出上下扉門在最大洪水位水壓下的位移、應力數值和分布情況，并計算出雙扉門門葉前二十階的模態振型和特征值。

1 工程概況及扉門門葉設計

該閘站設計中兼顧擋水和通航功能，通航孔為單孔雙向，單孔凈寬為13 m，規模為Ⅶ級（50 t 級），最高通航水位為10.0 m，最低通航水位為9.5 m。閘站主要作用為調節水位、改善水環境、減輕城市內澇，建成后將內城河防洪標準提高至20 a 一遇。閘門選用雙扉門，上下扉門在各自門槽中工作。雙扉門主要由上扉門、下扉門、下扉門輥輪、側輪、上扉門滑塊、密封機構組件、啟閉機、基礎埋件及閘房等組成，總體布置簡圖如圖1所示。

圖1 總體布置簡圖

上扉門閘門尺寸為13 570 mm×6 100 mm×1 280 mm（寬×高×厚），門葉為薄壁實腹式焊接構件，主材Q345B，主橫梁為2 根 300 mm×1 280 mm×20 mm×16 mm 變截面魚腹箱形焊接梁，左右邊梁為400 mm（600 mm）×520 mm×30 mm×16 mm 不等邊箱形焊接梁，頂梁、底梁為200 mm×520 mm×30 mm×16 mm 工 字 鋼 焊 接 梁， 豎 梁 為3 根300 mm×1 280 mm×20 mm×16 mm 變截面工字鋼焊接梁，其余次梁均采用28a 槽鋼，面板置于下游側，厚度為14 mm。面板側布置底止水，邊梁側布置側止水，側止水和底止水均采用P 形橡皮。上扉閘門支承采用8 塊自潤滑滑塊，閘門側向限位采用側輪。

下扉門閘門尺寸為13 320 mm×5 500 mm×1 818 mm（寬×高×厚）。門葉為薄壁實腹式雙主梁焊接構件，主材Q345B，主橫梁為2 根300 mm×1 620 mm×20 mm×16 mm 變截面魚腹箱形焊接梁，左右岸邊梁為400 mm(600 mm)×520 mm×30 mm×16 mm 不等邊箱形焊接梁，頂梁、底梁為200 mm×520 mm×30 mm×16 mm 工字鋼焊接梁，豎梁為3 根300 mm×1 620 mm×20 mm×16 mm 變截面工字鋼焊接梁，其余次梁均采用28a 槽鋼， 面板置于上游側，厚度為14 mm。面板側布置頂止水、底止水，邊梁側布置反向側止水，頂止水和側止水均采用P 形橡皮，底止水采用2 道I30 止水橡皮。下扉門支承采用兩側各4 只Φ600 mm 鑄鋼滾輪，軸承采用聚四氟纖維金屬基自潤滑軸承，滾輪兼作反向限位裝置；閘門側向限位采用側輪。

上下扉門啟閉均采用雙吊點啟閉機，上扉門選用QP-2×250 kN-8 m 手電兩用卷揚式啟閉機，啟門速度為1.5 m/min，閉門速度為1.5 m/min，最大工作行程為8 m，電機功率為20 kW。下扉門選用QP-2×400 kN-13 m 手電兩用卷揚式啟閉機，啟門速度為1.5 m/min，閉門速度為1.5 m/min，最大工作行程為13 m，電機功率為 30 kW。

2 分析研究

2.1 兩門門葉結構建模

以Hypermesh14.0 為建模軟件，根據扉門門葉尺寸建立模型并劃分有限元網格，結構采用Pshell 殼單元，材料選Q345B，類型卡片選Mat1 類型，泊松比為0.3，密度為78.5 kN/m3，彈性模量為210 000 MPa，剪切模量為81 000 MPa，上扉門葉共劃分97 124 個單元，下扉門葉共劃分102 119 個單元。上下扉門模型及有限元網格如圖2 所示。

圖2 上下扉門模型及有限元網格

2.2 上下扉門門葉靜力學分析

1）上扉門門葉靜力學分析

靜力學分析時選用OptiStruct 作為后處理求解器。以邊梁外側下端點為坐標原點，坐標方向與整體坐標系一致，建立新坐標系，以最大洪水位的靜水壓力為載荷，選擇水面下所有網格面單元，以公式Equation ＝9.8×(5 500-z)×10-6加Pressures 載荷，系統坐標系選用新建坐標系，約束則分別選擇滑塊處底板與門葉處節點y＝0、側輪底板與門葉處節點x＝0、底止水面門葉上的節點z＝0，求解靜力學特征。

門葉靜力學計算結果顯示，應變位移最大處為底梁中間，且由中間向兩側由下側向上側逐漸減小。應力主要由2 根主橫梁承擔，下端主橫梁承擔更多，主橫梁與邊梁連接處有應力集中表現，上扉最大位移為10.1 mm，跨度位移比為1 309，下端主橫梁與邊梁連接處出現最大應力為109 MPa，主橫梁中間的應力為97 MPa，均小于選用材料Q345B 的許用應力225 MPa，上扉門應力和應變位移分布云圖如圖3 所示。

圖3 上扉門應力和應變位移分布云圖

2）下扉門門葉靜力學分析

下門門葉靜力學分析采用與上扉門同樣后處理器。以邊梁外側下端點，坐標方向與整體坐標系一致，建立新坐標系，上游側以最大洪水位的靜水壓力為載荷，下游側以最低水位的靜水水壓為載荷，選擇所有與水體接觸的網格面單元，上下游側分別以公式Equation ＝9.8×（10 800-z）×10-6，Equation＝9.8×（4 500-z）×10-6加Pressures 載荷，系統坐標以新坐標系參考點，約束則分別選擇滑塊處底板與門葉處節點y＝0、側輪底板與門葉處節點x＝0、底止水面門葉上節點z＝0，求解靜力學特征。

門葉靜力學計算結果顯示，應變位移最大處為頂梁中間，且由中間向兩側由上側向下側逐漸減小。應力主要由兩條主橫梁承擔，上端主橫梁承擔更多，主橫梁與邊梁連接處有應力集中表現，上扉最大位移為11.7 mm，跨度位移比為1 152，，上端主橫梁與邊梁連接處出現最大應力為189 MPa，主橫梁中間的應力為152 MPa 左右,均小于選用材料Q345B 的許用應力225 MPa，下扉門應力和應變位移分布云圖如圖4 所示。

圖4 下扉門應力和應變位移分布云圖

2.3 上下扉門門葉結構模態特性分析

1）上扉門門葉結構模態分析

模態分析選擇與靜力學相同的前后處理器和約束，并建立一個Load Collectors ，Card Image 設定為EiGRL，在0 ～1 000 Hz 內求解前二十階模態振型及特征值。計算結果顯示，振型表現為第一階XY平面內頂梁振動，第二階底梁及下主橫梁XY平面內振動，第三階XY平面內頂梁前后擾動，第四階沿Z軸上下振動，第五階及高階模態為面板振動，前二十階模態特征值如表1 所示，前六階模態振型如圖5 所示。

表1 上扉門特征值 Hz

圖5 上扉門第一階～第六階振型圖

2）下扉門門葉結構模態分析

下扉門模態分析與上扉門一樣，也是求解0 ～1 000 Hz 內前二十階振型和特征值，前六階振型和特征值如表2 和圖6 所示。計算結果顯示，振型表現為第一階XY平面內頂梁振動，第二階底梁及下主橫梁XY平面內振動，第三階及后階表現為主橫梁、豎板的腹板振動。前二十階模態特征值如表2 所示，前六階模態振型如圖6 所示。

表2 下扉門特征值 Hz

圖6 下扉門第一階～第六階振型圖

2.4 分析結果小結

上下扉門結構應力分別為各自的兩根主橫梁承擔，在主橫梁與邊梁連接處出現最大應力，上下扉門應變位移由中間向兩邊逐漸變小，上下扉門門葉剛度和強度都滿足工作要求。上下扉門特征值在15 ～70 Hz 中頻段，下扉門前六階特征值在21 ～39 Hz，均避開了水流脈動頻率區段[4]，故上下扉門不會發生共振情況。振型上前兩階主要表現在頂梁或底梁的振動，第三階及更高階振型表現為主橫梁、豎梁腹板及面板的振動。

3 結束語

本文介紹了某內河整治工程中的雙扉門設計，并以Hyermesh14.0、OptiStruct 作為前后處理軟件，分析了上下扉門門葉結構的靜力學的應力應變分布情況以及動力學模態特征。靜力學分析結果顯示，應變和應力都在材料的許用范圍內，剛度強度滿足工作要求，應變較大處為上扉門位于頂梁中間，下扉在底梁中間位置，應變分布規律為上扉門由最大位置向下由中間向兩邊逐漸減小，下扉門由最大位置向上由中間向兩邊逐漸減小。最大應力在邊梁和主橫梁連接處，上下扉門豎梁應力均較小，為可設計優化的位置。上下扉門動力學約束模態分析得出前六階特征值的范圍為15 ～60 Hz，避開了水流脈動的頻率區域，故上下扉門門葉不會發生共振現象。