弧形鋼閘門主梁懸臂長度優化數值模擬研究

趙昊琛

(遼寧省石佛寺水庫管理局有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程背景

趙家堡子水電站是遼寧省東部愛河流域水利開發的重要工程，其壩址位于遼寧省丹東市鳳城市石城鎮境內。按照工程規劃設計，電站的裝機容量為1.68萬kW，設計庫容為1550萬m3，是一座以發電為主，兼具防洪和養殖等諸多功能的綜合性小型水利工程[1]。水電站工程主要由大壩、引水發電系統和泄洪設施組成，主要建筑物按照100 a一遇洪水標準設計，1000 a一遇洪水標準校核。水庫大壩為混凝土重力壩設計，溢流壩段位于大壩右岸部位，其溢流堰為WES實用堰設計，堰頂高程為55.10 m[2]。溢流壩閘門為露頂式鋼閘門，設計水位為400.00 m，壩前超高水位為0.50 m，底坎高程為380.80 m，弧形鋼閘門的高為19.70 m，寬為14.00 m。閘門的面板和主梁為16 Mn 鋼設計，其余構件均采用Q235B鋼，彈性模量為206 GPa，重度為78.5 kN/m3，泊松比為0.3。對于弧形鋼閘門，主梁和支臂結構共同構成了弧門的主框架，其布置形式的合理設計可以使主框架受力良好，提高閘門的承載力和安全性，保證弧形鋼閘門的正常、安全運行[3]。基于此，本次研究力求通過數值模擬的方法，探討主梁懸臂長度對閘門結構剛度和強度的影響，并提出具體的工程設計建議。

2 有限元模型的構建

2.1 計算軟件的選擇

ANSYS有限元軟件是一款用途廣泛的數值模擬軟件，可以用來求解結構、流體、電力等諸多領域的問題，是全球范圍內增長最快的CAE軟件[4]。該軟件由前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊三個主要部分構成，功能強大、操作簡單，還可以為用戶提供多種二次開發工具，具有廣泛的工程適用性[5]。因此，本次研究選擇ANSYS有限元軟件進行計算模型的構建。

參數化建模技術是指當設計結構的形狀相對確定，且具備一定的定型特征時，可以采用一組設計參數確定設計對象的結構尺寸，將設計參數和設計對象的控制尺寸相關聯，則對象的建模即可由參數驅動[6]。鑒于背景工程弧形鋼閘門的結構特點，研究中采用ANSYS 中的參數化設計語言APDL(ANSYS Parametric Design Language)進行參數化建模，實現弧形閘門的參數化幾何模型的建立、參數化網格劃分、參數化材料屬性的定義、參數化荷載與邊界約束條件的施加以及參數化的后處理。

2.2 有限元模型的建立

按照背景工程的設計資料，以沿河指向上游的方向為X軸正方向，以豎直向上的方向為Y軸正方向，以垂直于X軸指向右岸的方向為Z軸正方向，建立弧形鋼閘門的幾何模型。弧形鋼閘門主要由門葉和支臂兩部分組成。其中，門葉的主要結構有面板、次梁、隔板、主梁及小梁；支臂的主要結構有支臂箱型梁、橫撐、斜撐。根據相關研究成果，使用板梁結構進行模擬的有限元結構模型最為精簡，而使用完整空間薄壁結構的模型的計算簡化量較小，雖然計算結果更為精準，但是運算量明顯偏大[7]。由于此次研究需要對有限元模型進行多次計算，因此支臂箱型梁、面板、主梁、橫向次梁、縱向次梁部分使用ANSYS 中的Shell63板殼單元進行模擬，支臂的橫撐、斜撐、橫撐間的連接板、小梁等結構使用ANSYS 中的Beam188梁單元進行模擬。最終，鋼閘門模型被劃分為15 976個網格單元，12 247個計算節點，模型的網格剖分示意圖如圖1所示。

圖1 弧形鋼閘門三維有限元模型

2.3 計算荷載與邊界條件

研究中采用弧形鋼閘門的設計工況進行靜力特征分析，因此弧形鋼閘門的工作狀態設計為關閉擋水狀態，其主要荷載為上游的水壓荷載以及閘門的自重荷載[8]。由于門檻的約束作用，鋼閘門的門葉底部和門檻接觸的部位不會產生豎向位移，因而在此位置施加Y向位移約束。鋼閘門的支臂和支座均安放在預應力閘墩牛腿的鉸結構上，可以繞軸靈活轉動，因此在支鉸結構部位施加全位移約束以及繞X軸和Y軸的轉動約束。

2.4 計算工況設計

研究中結合相關工程經驗，在保持主梁和次梁的位置、尺寸以及面板厚度不變的前提下，設計出6個不同的懸臂長度計算方案，每個方案的懸臂長度以0.5 m遞增。具體的計算方案設計如表1所示。

表1 計算方案設計

3 計算結果與分析

3.1 主梁構件應力計算結果與分析

利用上述構建的有限元模型，對不同懸臂長度下的主梁應力分布進行計算，并從計算結果中提取出主梁上翼緣、下翼緣以及腹板等關鍵部位各項應力的最大值，如表2所示。

表2 主梁各關鍵部位應力最大值計算結果 MPa

由表2中的計算結果可知，在主梁的上翼緣，第一主應力S1隨著懸臂長度的增加而增大，并且當懸臂長度>3.0 m時增加的幅度較大。具體來看，方案4與方案1相比，第一主應力S1增加了8.85%，而方案6與方案1相比，第一主應力S1增加了58.19%；第三主應力S3隨著懸臂長度的增加呈現出先減小后增大的特點，方案4的第三主應力S3最小；Mises 應力與第三主應力S3類似，隨著懸臂長度的增加呈現出先減小后增大的特點，方案4的計算結果為最小。在主梁的下翼緣，第一主應力S1、第三主應力S3和Mises 應力的變化特征類似，均隨著懸臂長度的增加呈現出先減小后增大的特點，且均在方案4時取得最小值。在主梁的腹板位置，第一主應力S1、第三主應力S3和Mises 應力的變化也呈現出相同的變化規律，即隨著懸臂長度的增加呈現出先減小后增大的特點，且均在方案4時取得最小值。從主梁各關鍵部位的應力計算結果來看，采用方案4，即主梁懸臂長度為3.0 m，主梁懸臂和主梁跨度之比為0.25時，主梁各部位的應力值最小。

3.2 主梁構件剛度計算結果與分析

利用上述構建的有限元模型，對不同懸臂長度下的主梁下翼緣的位移進行計算，根據位移數據計算獲取撓度值，并將其作為主梁撓度的近似值，如表3所示。由表3中的計算結果可知，在主梁的懸臂長逐漸增大的過程中，主梁下翼緣的最大位移位于主梁的跨中部位，且呈現出逐漸減小的趨勢，并在方案4時達到最小。當主梁的懸臂長度進一步增大時，主梁位移的最大值呈現出逐漸增大的趨勢，其所處的部位也由跨中部位逐漸轉移到主梁的端部；從最小位移值的計算結果來看，隨著主梁懸臂長度的增加，其所處的部位逐漸由主梁的端部轉移到主梁的跨中部位，其數值呈現出先增大后減小的趨勢，但是變化的幅度較小。從主梁的撓度計算結果來看，其隨著主梁懸臂長度的增大呈現出先減小后增大的變化特點，且方案4的撓度值最小，為6.2 mm。綜合分析結果，方案4條件下的主梁位移和撓度計算結果最優，應為推薦方案。

表3 主梁位移和撓度計算結果

4 結 論

此次研究以趙家堡子水電站為例，利用數值模擬的方法，展開主梁懸臂長度優化研究，獲得的主要結論如下：

(1)從主梁各關鍵部位的應力計算結果來看，采用方案4，即主梁懸臂長度為3.0 m，主梁懸臂和主梁跨度之比為0.25時，主梁各部位的應力值最小。

(2)從主梁的撓度計算結果來看，其隨著主梁懸臂長度的增大呈現出先減小后增大的變化特點，且方案4的撓度值最小，為6.2 mm。

(3)綜合分析結果，方案4條件下的主梁位移和撓度計算結果最優，應為推薦方案。