船舶撞擊作用下船閘人字門三維有限元動力分析

馬曉攀，王海建

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣州 510610)

人字閘門常作為船閘閘首的工作閘門，在運行過程中易受到船舶撞擊。受撞擊后，人字閘門將發(fā)生振動，門葉變形，甚至桿件彎曲斷裂、焊縫開裂等，以致閘門及周圍建筑物遭到破壞，影響船閘的正常運行。目前，國內(nèi)外關(guān)于船舶撞擊的模擬分析，大多是針對船舶與橋梁、船舶與碼頭之間的碰撞分析，對于船閘閘門受船舶撞擊時的動力分析較少，基本采用三維實體單元與板殼單元組合建模進行分析。本文利用有限元數(shù)值仿真方法模擬船舶對閘門的碰撞作用，通過研究船閘人字門受船舶撞擊的動力響應(yīng)特性，可以直觀地顯示閘門應(yīng)力大小及分布，能更好地對結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進行加固處理或者采取相應(yīng)的防撞措施，對優(yōu)化船閘結(jié)構(gòu)設(shè)計以及船閘防撞裝置設(shè)計都有著重要作用。

1 某工程船閘人字閘門簡介

以某水電站船閘為例，船閘上下游工作門均為平面橫梁式人字鋼閘門，由稱承重結(jié)構(gòu)、支撐部件等組成。每扇閘門高為8.48 m，寬為8.984 m，順河向?qū)挾葹?.15 m，設(shè)計最高水位為11.58 m，由5根主橫梁、5根縱梁、6根水平次梁、2個背拉桿和面板等構(gòu)成的空間體系。材料均采用Q235鋼，其彈性模量為2.06×1011Pa，材料密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3。航行于該河段的運輸船舶，大部分載重為130～160 t，船舶尺寸多為27 m×6 m×1.25 m。

2 無防撞裝置人字閘門計算分析

2.1 人字閘門模型建立

整體耦合模型的坐標系為笛卡爾坐標系：X軸沿主梁軸向，指向斜接柱；Y軸鉛直向上；Z軸垂直于X-Y平面，指向上游面板。

人字閘門在正常工作時，通過各構(gòu)件之間的相互作用共同承擔所受的載荷，面板、主橫梁、縱梁的翼緣等構(gòu)件將發(fā)生軸向拉伸、扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲等組合變形。考慮各構(gòu)件的幾何性質(zhì)、受力特點和變形特征以及構(gòu)件之間具有協(xié)同作用的關(guān)系，為全面了解閘門各組成部件的應(yīng)力和變形規(guī)律，人字閘門的面板、橫梁腹板、縱梁腹板、斜接柱和門軸柱端板及其腹板等薄板單元均采用空間殼單元Shell63；橫梁上下翼緣、縱梁上下翼緣、水平次梁等均采用空間梁單元Beam188；背拉桿和拉桿采用軸力桿單元Link8[1-6]。人字閘門空間有限元模型示意如圖1所示。

圖1 人字閘門三維有限元模型示意

2.2 約束處理

根據(jù)閘門的布置和運行狀況，人字閘門在全開狀態(tài)下的邊界約束情況主要有：頂樞、底樞和啟閉桿的位移約束[7-8]。約束條件如下：① 底樞的約束處理比較簡單，可以直接對底樞及其周圍的節(jié)點限制位移，同時施加三向位移約束，可以大大降低底樞中心處的應(yīng)力集中現(xiàn)象；② 頂樞的處理和底樞類似，在頂樞中心及其周圍單元節(jié)點上施加水平二向位移約束；③ 推拉桿的約束處理為一端連接在門葉上，另一端施加三項位移約束和三向轉(zhuǎn)動約束。

2.3 荷載施加

作用在人字閘門上的荷載主要有A1(閘門自重)、A2(靜水壓力)、A3(動水壓力)、A4(浪壓力)、A5(水錘壓力)、A6(風壓力)、A7(淤沙壓力)、A8(漂浮物撞擊力，受撞擊時)。根據(jù)本文研究內(nèi)容和目的，為簡化計算過程，選取荷載組合見表1。

表1 人字閘門荷載組合

根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》[9]，漂浮物撞擊力按公式(1)計算：

(1)

式中:

Pz——漂浮物撞擊力，kN；

WP——漂浮物重量，kN；

ν——水流速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；

t——撞擊時間，s。

計算撞擊力時，取水流速度為船舶出閘速度為0.5 m/s，撞擊時間為40 ms，船舶噸位為160 t。

船舶撞擊力采用三角脈沖的方式以與面板成不同的角度施加于閘門背面的主梁或縱梁上，利用ANSYS瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析功能進行模擬計算，撞擊力采用斜坡式(Ramped)加載，瞬態(tài)分析的載荷—時間曲線如圖2所示。閘門受到撞擊時，由于結(jié)構(gòu)的運動以及水體的質(zhì)量和彈性的影響，將引起閘門擋水面上水壓力的變化，這種變化的水壓力稱為動水壓力。進行船閘人字門的撞擊分析時，須考慮水體動水壓力的影響。ANSYS中，并沒有直接計算動水壓力附加質(zhì)量的功能，為了將附加質(zhì)量考慮到閘門的動力分析中，需要借助參數(shù)化語言對其進行二次開發(fā)，并使用Mass21單元將動水附加質(zhì)量加入到整個計算模型中[2]。

圖2 載荷—時間曲線示意

2.4 計算工況的確定

根據(jù)閘門尺寸、通航水深、船舶尺寸、船舶吃水深度及該河段往年撞擊事故記錄等因素，可選擇船閘人字門受船舶撞擊的計算工況見表2，撞擊位置見圖3。

表2 計算工況

圖3 各種工況下撞擊位置示意

撞擊位置1：撞擊點在3#主梁和4#主梁之間的3#縱梁后翼緣上。

撞擊位置2：撞擊點在4#主梁和3#縱梁的下游連接處。

2.5 應(yīng)力強度評判標準

閘門材料均采用Q235鋼，面板厚度為12 mm，1#和5#主梁腹板為16 mm，2#～4#主梁腹板厚度為12 mm，主梁上、下翼緣厚度分別為14 mm和16 mm，1#和5#縱梁腹板厚度為16 mm，2#～4#縱梁腹板厚度為12 mm，縱梁翼緣下翼緣厚度為16 mm，均屬于鋼材尺寸分組中的第1組，其材料容許應(yīng)力為[σ]=160.0 MPa，[τ]=95.0 MPa。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》[7]的規(guī)定，對于大中型工作閘門和重要的事故閘門，容許應(yīng)力應(yīng)再乘以一個調(diào)整系數(shù)0.9～0.95。選取調(diào)整系數(shù)0.95，修正后的容許應(yīng)力[σ]′=160×0.95=152.0 MPa，[τ]′=95.0×0.95=90.25 MPa。

組合梁中受較大正應(yīng)力和剪應(yīng)力同時作用的地方，除評判正應(yīng)力和剪應(yīng)力是否在容許應(yīng)力內(nèi)外，還應(yīng)評判此處的折算應(yīng)力σzh是否也在相應(yīng)的容許應(yīng)力內(nèi)，σzh大小按公式(2)計算：

σzh1.1[σ]′=1.1×152.0=167.2 MPa

(2)

式中：

[σ]′——調(diào)整后的容許應(yīng)力大小。

綜上所述，閘門應(yīng)力強度評判標準見表3。

表3 人字閘門應(yīng)力強度評判標準

2.6 結(jié)果分析

船舶撞擊位置主要位于閘門的下游面的主梁或縱梁的翼緣上，撞擊點、主梁和縱梁的交點部位的應(yīng)力相對較大，本文主要研究這些部位的應(yīng)力和變形。利用ANSYS進行三維有限元分析得到以上各工況的最大應(yīng)力值和位移值見表4和表5。

由表4和表5可知，工況1為最不利工況。工況1各方向的應(yīng)力和位移計算結(jié)果見圖4～圖15。

表4 各工況下閘門主梁的最大應(yīng)力值 MPa

表5 各工況下閘門縱梁的最大應(yīng)力和位移值 MPa,mm

上述8個計算工況中，不利工況均為撞擊發(fā)生在兩主梁之間的縱梁上，即當船舶撞擊閘門縱梁的后翼緣跨中處時，閘門容易遭到破壞，且船舶撞擊對結(jié)構(gòu)引起的不利影響隨著撞擊角度的減小而增加，即撞擊角度越小，閘門的應(yīng)力和變形就越大，閘門越容易遭到破壞；當撞擊點在主、縱梁的下游連接處時，閘門遭到破壞的可能性較小。

3 帶有防撞裝置的人字閘門模型建立與計算

閘門防撞裝置采用橡膠合金護木結(jié)構(gòu)，選定橡膠合金護木的幾何尺寸為寬300 mm、高80 mm、最大長度2.0 m、孔徑為Ф80 mm的半圓體[10]。為簡化分析，現(xiàn)將防撞裝置安裝在3#、4#主梁及其之間的縱梁上，選用最不利工況1進行分析。防撞裝置采用Solid186劃分網(wǎng)格[11-12]，裝有防撞裝置的人字閘門三維有限元模型如圖16所示。

圖16 裝有防撞裝置的人字閘門三維有限元模型示意

工況1情況下，安裝防撞裝置后，人字門受撞擊后主梁和縱梁的最大應(yīng)力值和位移值見表6，三維有限元計算結(jié)果見圖17～圖28。

表6 安裝防撞裝置后閘門最大應(yīng)力和位移值 MPa，mm

最不利工況(工況1)下，防撞裝置安裝前后的船閘人字門受撞擊后主梁和縱梁的最大應(yīng)力值、最大位移值的比較結(jié)果見表7和表8。通過比較可知，在閘門遭受撞擊后，安裝橡膠合金護木防撞裝置可以使閘門減輕或免遭破壞。

表7 防撞裝置安裝前后主梁最大應(yīng)力值 MPa

表8 防撞裝置安裝前后縱梁最大應(yīng)力和最大位移值 MPa，mm

4 結(jié)語

本文利用ANSYS瞬態(tài)分析功能對未安裝防撞裝置的人字閘門進行計算分析，主要得到了各工況下閘門主梁、縱梁和面板的位移和應(yīng)力；建立了裝有防撞裝置的人字閘門非線性耦合計算模型，利用最不利工況進行分析計算，并將結(jié)果與安裝防撞裝置前的計算結(jié)果進行比較，得出橡膠合金護木防撞裝置具有較好的消能能力，安裝后閘門受撞部位的最大應(yīng)力和位移都有顯著下降，能有效減輕或避免閘門因撞擊而產(chǎn)生的破壞，可為人字閘門動力分析及防撞裝置研究提供參考。