基于有限元法的3 200 kN雙向門機結構強度仿真分析

劉 劍 邊 江 李 冰

（1.鄭州新大方重工科技有限公司，鄭州 450052；2.華北水利水電大學，鄭州 450011）

水利工程大噸位雙向門機是一種專門用于啟閉水工閘門的起重機械，在水利建設工程中發揮著重要作用。它的結構安全性和運行可靠性，直接影響水利工程防洪排澇、調水供水、灌溉、發電以及航運等綜合效益的發揮，同時關系水利工程的運行安全和人民生命財產的安全[1-2]。某水電站進水口3 200 kN雙向門式啟閉機（以下簡稱門機）安裝在壩頂平臺，屬于無懸臂龍門起重機，高度為45.23 m，跨度為24.60 m，最大起升載荷為3 200 kN，運行載荷為1 600 kN，主要用于機組檢修閘門和攔污柵及泄洪閘檢修閘門的啟閉與吊運。門機設有獨立運行的小車。小車內設主起升機構。小車機房內頂部設一臺電動葫蘆，可用于壩面零星物品的吊運。

1 3 200 kN雙向門機參數及工況分析

1.1 雙向門機參數

門機由大車行走機構、門架機構、小車機構、電氣設備、起重裝置、液壓抓梁和液壓清污耙斗等結構組成，總質量約為407 t，具體參數如表1所示。

表1 主要技術特性

1.2 雙向門機工況分析

運行中，此3 200 kN雙向門機主要包括門機有風起升工況、走行工況及非工作狀態3個工況。

1.2.1 門機有風起升工況載荷

門機有風起升工況載荷主要包括自重荷載、起升荷載和風荷載。其中，門機自身質量為407.16 t，最大起升載荷為3 200 kN。正常工作下的風壓按照250 N·m-2來計算風荷載，即[3]

式中：Pw為作用在或吊重上的風載，N；C為風力系數；Kh為風壓高度變化系數，工作狀態時取1；q為計算風壓，N·m-2，正常工作時取250 N·m-2；A為啟閉機或吊重垂直于風向的迎風面積，m2。

由于門架箱梁結構，主箱梁迎風面高度為2.5 m，間隔4.8 m。依據《起重機設計手冊》，η=a/h=4.8/2.5=1.92≤4，則η取為0，即風被完全遮擋[4]。在最不利工況時，單根主支腿、主橫梁、機箱、起升物風載荷依次為16 986 N、21 525 N、9 936 N、22 500 N。

1.2.2 風載走行工況載荷

風載走行工況載荷主要包括自重荷載、走行荷載、啟閉機慣性力、風荷載和偏斜走行的側向力[5]。其中，門機自身質量為407.16 t，走行荷載為1 600 kN，啟閉機慣性力為59 853 N，起升物風載荷為13 500 N。偏斜走行的側向力是在大車運行機構跑偏時，軌道側面與車輪邊緣或水平導向輪之間產生水平側向力，對起重機車輪及其軸承有不良影響，值為208 800 N。

1.2.3 非工作狀態載荷

非工作狀態載荷主要包括自重載荷和非工作狀態的風荷載。其中，門機自身質量為407.16 t，非工作狀態下的風壓取800 N·m-2，由于門架箱梁結構，主箱梁迎風面高度為2.5 m，間隔4.8 m。依據《起重機設計手冊》，η=a/h=4.8/2.5=1.92≤4，則η取為0，即風被完全遮擋。在最不利工況時，單根主支腿、主橫梁、機箱風載荷依次為63 052 N、97 121 N、47 057 N。

2 門架有限元模型

采用三維軟件對此雙向門機進行建模，以x_t文件格式導入Workbench軟件。在主要構件保持與圖紙一致性的前提下，對不影響門架主結構變形的次要部件進行一定的簡化，省略小車運行機構、機房以及所有螺栓螺母等，相應結構自重以載荷的形式施加到門架上，整體模型如圖1所示。

圖1 三維實體模型

應用有限元軟件ANSYS（V17.0）進行有限元分析，劃分的單元數目為520 755個，節點數為2 110 064個。為了節省計算資源，各零件、板件之間通過設置BONDED接觸來實現受力傳遞[6]。門架空間坐標系XYZ中，X軸指向水流方向，Y軸指向豎直重力方向，Z軸指向水流垂直方向。

門架各板件之間大部分使用固定連接（BONDED CONNECTION），4個支腿地面位置施加固定約束（FIXED SUPPORT），約束各向方向自由度，同時將載荷施加到門架相應位置進行復核計算，如圖2所示。

圖2 門架邊界條件示意圖

3 各工況下門架有限元分析結果

3.1 工況一：風載起升工況復核結果

有風滿載起升時，門架的有限元分析結果如圖3所示。可見，門架最大應力為121.98 MPa，發生在中間聯系梁，小于[σ]=176.69 MPa，滿足規范要求。

圖3 門架整體應力云圖

3.2 工況二：風載走行工況復核結果

在正常風載狀態下，大車吊荷載走行，其有限元分析結果如圖4所示?？梢姡T架最大應力為100.96 MPa，發生在支腿與中間橫梁連接處，小于[σ]=176.69 MPa，滿足規范要求。

圖4 門架整體應力云圖

3.3 工況三：非工作狀態

在非工作狀態下，門架不工作，其有限元分析結果如圖5所示?？梢姡T架最大應力為240.7 MPa，發生在支腿與中間橫梁連接處。此處，板厚為12 mm，在頂端屬于應力集中現象，主要是由于支腿內未添加任何加強筋板，側向受風后支腿剛度不夠，變形量過大，導致計算結果失真。

圖5 門架整體應力云圖

4 結語

通過對門架進行有限元仿真分析，確保了門架結構在各計算工況下的整機安全性。利用ANSYS軟件的結果后處理技術，得到了門架主梁、支腿等局部重要結構的應力分布云圖，方便定位應力極值區域，保證了結構局部安全性。后續將進一步研究門機模型簡化對計算結果的影響，以提高所得仿真結果的準確性。目前，較為合理的使用方式是將有限元仿真分析結果和數據采集系統的實測結果進行比對，二者互為參照，相輔相成，共同構成門機的安全評估體系。