葛洲壩二江電站小機(jī)組排沙底孔工作門有限元分析

付建科 徐 亮 盧澤民 黃曉輝

(三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院,湖北宜昌 443002)

葛洲壩水利樞紐工程是三峽工程完工前我國最大的一座水電工程,到目前為止已運(yùn)行近30年.葛洲壩二江電站小機(jī)組排沙底孔工作門位于該大壩下游排沙底孔出口處,用于排沙底孔的擋水.因該閘門常年在水下,門頂和吊耳孔受水中沉積物的淤積影響,導(dǎo)致門機(jī)抓梁定位不準(zhǔn),穿銷受阻,啟門運(yùn)行很難進(jìn)行,極大地影響了二江電站小機(jī)組排沙底孔的正常運(yùn)行,因此,需對葛洲壩二江電站小機(jī)組排沙底孔工作門吊耳進(jìn)行改造設(shè)計.為了最大限度地降低改造成本擬采用如下改造方案:去掉現(xiàn)有門頂?shù)醵?在去掉的門頂?shù)醵?新設(shè)計一對比原吊耳高度高1 m的新吊耳,吊耳頂部設(shè)置傳力塊,其它部位結(jié)構(gòu)不變,廢棄原有的抓梁定位方式,利用門機(jī)自動抓梁的前后導(dǎo)向裝置、側(cè)導(dǎo)輪及吊耳板定位,活動加載作用點(diǎn)由原來的邊梁、頂梁腹板相交位置轉(zhuǎn)移到吊耳頂部的傳力塊,改造后的門葉結(jié)構(gòu)如圖1所示.由于改造后的工作門門葉結(jié)構(gòu)發(fā)生了變動,活動加載作用點(diǎn)發(fā)生了變化,導(dǎo)致工作門整體受力狀態(tài)也發(fā)生了變化,因此,該方案是否可行的關(guān)鍵之一在于在設(shè)計水頭不變和活動加載作用點(diǎn)轉(zhuǎn)移至吊耳頂部傳力塊條件下,該工作門的強(qiáng)度和剛度能否滿足要求,而活動加載作用點(diǎn)的改變對門體結(jié)構(gòu)帶來的影響用傳統(tǒng)手工計算方法是無法準(zhǔn)確計算分析的,給改造設(shè)計帶來了極大的困難.

圖1 改造后小機(jī)組排沙底孔工作門構(gòu)造圖

本文采用大型有限元軟件ANSYS分析計算了改造設(shè)計后的該排沙底孔工作門結(jié)構(gòu)在設(shè)計水頭和活動加載作用點(diǎn)轉(zhuǎn)移至吊耳頂部傳力塊條件下的應(yīng)力和變形,為該排沙底孔工作門的改造設(shè)計提供了重要的參考依據(jù).

1 排沙底孔工作門有限元模型建立

1.1 排沙底孔工作門基本參數(shù)

該排沙底孔工作門孔口形式為潛孔,設(shè)計水頭27m,支承跨度7.3m,動力系數(shù)1.2,閘門兩個吊耳傳力塊上作用有120t均布豎向載荷,沖擊系數(shù)1.2.

1.2 排沙底孔工作門有限元模型單元選擇

小機(jī)組排沙底孔工作門分別由鋼板、型鋼焊接而成,都是較為典型的板梁空間結(jié)構(gòu)體系.排沙底孔工作門結(jié)構(gòu)在上游水壓作用下將發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切和拉壓組合變形[1],因此可將結(jié)構(gòu)處理為板、殼、梁的組合體.按照排沙底孔工作門結(jié)構(gòu)構(gòu)造,直接采用ANSYS實(shí)體建模的方法構(gòu)建模型.結(jié)構(gòu)中水平次梁處理為梁單元,采用BEAM188的2節(jié)點(diǎn)梁單元分網(wǎng),其他部分處理為板殼單元,采用SHELL63的4節(jié)點(diǎn)殼單元分網(wǎng).其中次梁采用賦予截面形狀的方式保證截面特性與實(shí)際相符.考慮到排沙底孔工作門為平面對稱結(jié)構(gòu),只需建立一半排沙底孔工作門結(jié)構(gòu)模型,劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示,其中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為75667個,單元總數(shù)為76 798個.該排沙底孔工作門門體材料為16Mn鋼,吊耳為Q345,其彈性模量E= 2.06×105MPa,泊松比 μ=0.3,屈服極限為345 MPa,密度ρ=7.85×103kg/m3.

圖2 排沙底孔工作門有限元模型

1.3 載荷處理及邊界條件確定

為了準(zhǔn)確地反映排沙底孔工作門計算工況下的應(yīng)力和變形,進(jìn)行有限元分析時考慮了水壓、自重、兩個吊耳傳力塊上承受120 t豎向載荷、主輪支撐力、底部及邊梁的支撐力,同時結(jié)合排沙底孔工作門結(jié)構(gòu)的對稱性,對已建立的一半排沙底孔工作結(jié)構(gòu)模型施加了符合實(shí)際情況的約束條件.

2 排沙底孔工作門強(qiáng)度和剛度分析

2.1 強(qiáng)度分析

閘門的強(qiáng)度按強(qiáng)度控制點(diǎn)的受力性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計校核,對于閘門承重構(gòu)件和連接件,應(yīng)校核正應(yīng)力、剪應(yīng)力;結(jié)果中同時受較大正應(yīng)力和較大剪應(yīng)力作用處,應(yīng)校核最大等效應(yīng)力;對于面板而言,考慮到面板本身在局部彎曲的同時還隨主次梁受整體彎曲的作用,故應(yīng)對面板的折算應(yīng)力進(jìn)行校核.

完成建模后,進(jìn)行加載、約束、定義分析類型、分析選項(xiàng)、荷載數(shù)據(jù)和荷載選項(xiàng)等步驟,然后開始有限元求解.計算完成后其應(yīng)力結(jié)果可直接繪制云圖輸出.排沙底孔工作門在水壓、自重和120t豎向載荷作用下的應(yīng)力云圖如圖3所示.

圖3 排沙底孔工作門等效應(yīng)力云圖

從圖3可以看出:排沙底孔工作門除面板外,其他主要構(gòu)件的最大應(yīng)力均發(fā)生在跨中位置.其主要構(gòu)件的最大應(yīng)力計算結(jié)果見表1.

表1 排沙底孔工作門主要構(gòu)件求解結(jié)果

從表1可以看出排沙底孔工作門各構(gòu)件的強(qiáng)度均滿足強(qiáng)度要求,從強(qiáng)度角度看結(jié)構(gòu)是安全的.

2.2 剛度分析

除強(qiáng)度分析外,排沙底孔工作門的變形分析也是非常重要的,特別是主次梁的變形.有限元計算得到的改造后的排沙底孔工作門結(jié)構(gòu)在設(shè)計水頭和活動加載作用點(diǎn)轉(zhuǎn)移至吊耳頂部傳力塊條件下的變形云圖如圖4所示.

圖4 排沙底孔工作門位移云圖

從圖4可以看出排沙底孔工作門的最大位移發(fā)生在面板中上部,其中主、次梁的最大撓度發(fā)生在跨中位置,最大撓度分別為4.32 mm、4.63 mm.《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,潛孔式工作閘門主梁的最大撓度值與計算跨度的比值不超過1/750,次梁的最大撓度與計算跨度之比不超過1/250[2].小機(jī)組排沙底孔工作門跨度為7300mm,主梁容許撓度為9.73mm,可見主梁和次梁的最大計算撓度值均小于《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的容許撓度,故排沙底孔工作門有足夠的變形抵抗能力,其剛度滿足要求.

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)葛洲壩二江電站小機(jī)組改造后的排沙底孔工作門三維有限元分析計算結(jié)果,按照《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》對鋼閘門強(qiáng)度和剛度的校核要求,葛洲壩二江電站小機(jī)組改造后的排沙底孔工作門的強(qiáng)度、剛度是滿足要求的.

(2)對于具有結(jié)構(gòu)對稱的鋼閘門,采用構(gòu)建一半閘門結(jié)構(gòu)模型的方式進(jìn)行分析計算,比采用構(gòu)建整個閘門結(jié)構(gòu)模型的方式進(jìn)行分析計算更合理,在不增加單元和節(jié)點(diǎn)總數(shù)的基礎(chǔ)上,可以減少計算時間,提高計算精度.

[1] 闞前華,譚長建,等.ANSYS高級工程應(yīng)用實(shí)例分析與二次開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2] 東北勘察設(shè)計研究院.水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范SL74-95[S].1995.