黃峻,謝智雄
(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510635;2.河海大學(xué)機電工程學(xué)院,江蘇 常州 213022)
圖1 閘門結(jié)構(gòu)
本文應(yīng)用ANSYS軟件對某抽水蓄能電站尾水事故閘門結(jié)構(gòu)的靜動力特性進(jìn)行數(shù)值分析研究,計算并分析節(jié)間2種連接形式下的定輪反力、應(yīng)力、位移、屈曲失穩(wěn)、自振頻率及振型特性。
為了便于表達(dá),對閘門結(jié)構(gòu)各部分進(jìn)行編號,如圖2所示。閘門結(jié)構(gòu)為空間薄壁結(jié)構(gòu),采用shell63號板單元來進(jìn)行模擬,閘門結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。
圖2 閘門結(jié)構(gòu)各部件編號
選取閘門閉門擋水工況,此時閘門受水頭119 m的靜水壓力作用??紤]閘門自重,按節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種形式來計算分析閘門結(jié)構(gòu)的靜動力特性。
圖3 閘門結(jié)構(gòu)有限元模型
閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下定輪反力計算結(jié)果見表1,由表1可以看出:
(1)節(jié)間邊柱斷開形式下定輪最大反力為2563.1 kN,發(fā)生在定輪1處;節(jié)間邊柱連續(xù)形式下定輪最大反力為2777.1 kN,發(fā)生在定輪1處。2種形式下各定輪反力相差不超過10%。
(2)節(jié)間邊柱斷開與節(jié)間邊柱連續(xù)相比,輪1、輪4的反力有所減小,輪2、輪3的反力有所增大,節(jié)間邊柱斷開形式下各定輪反力的均勻性優(yōu)于節(jié)間邊柱連續(xù)形式。
(3)從定輪最大反力及各定輪反力的均勻性來看,節(jié)間邊柱斷開形式優(yōu)于節(jié)間邊柱連續(xù)形式。
試驗采用間比法排列,不設(shè)重復(fù),每4-5個品種設(shè)一個對照,同一排首、末小區(qū)必須是對照品種,8行區(qū),面積不少于200平方米,試驗周邊設(shè)不少于4行的保護(hù)區(qū)。測產(chǎn)時收獲全部果穗,風(fēng)干脫粒后稱籽粒重量,測含水量,折成14%水分計產(chǎn),產(chǎn)量比較時以參試品種與兩個相鄰對照的平均值比較,計算增(減)產(chǎn)百分率。
表1 定輪反力計算結(jié)果
閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)整體及各部件的位移計算結(jié)果見表2,從表2可以看出:
(1)閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種形式下,閘門結(jié)構(gòu)各部件順河向位移基本相同。
(2)2種連接形式下,順河向最大位移均發(fā)生在面板梁格2跨1中部,其值約為5.0 mm。
(3)主梁撓度為4.2mm,小于許用變形(5.6mm),滿足剛度要求。
表2 閘門各部件結(jié)構(gòu)順河向位移計算結(jié)果
閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)各部件的最大折算應(yīng)力計算結(jié)果見表3,由表3可以看出:
(1)閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)各部件應(yīng)力基本相同。
(2)2種連接形式下閘門結(jié)構(gòu)最大折算應(yīng)力均發(fā)生在面板部件上,其值約為212 MPa,略超過材料許用應(yīng)力(205 MPa),可滿足強度要求。
表3 閘門各部件結(jié)構(gòu)最大折算應(yīng)力計算結(jié)果
閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)前5階屈曲失穩(wěn)計算結(jié)果見表4,從表4可以看出:
(1)閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)前5階失穩(wěn)形式均表現(xiàn)為閘門結(jié)構(gòu)各板件的局部失穩(wěn)。
(2)節(jié)間邊柱斷開情況下,門背板的穩(wěn)定系數(shù)為39.466,略大于節(jié)間邊柱連續(xù)情況下的37.427。
(3)2種連接形式下主梁1腹板的穩(wěn)定系數(shù)基本相同,可見,閘門節(jié)間邊柱斷開或連續(xù)對主梁腹板的穩(wěn)定性沒有影響。
(4)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生失穩(wěn)的部件為門背板的局部失穩(wěn),其穩(wěn)定系數(shù)最小為37.427,閘門結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。
表4 閘門結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)計算結(jié)果
閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)前5階自振頻率及振型計算結(jié)果見表5、表6,從計算結(jié)果可以看出:
(1)閘門節(jié)間邊柱斷開與節(jié)間邊柱連續(xù)相比,各階自振頻率均有所增高,其中,無水情況下基頻增高15.4%,有水情況下增高12.5%。分析其原因,主要是節(jié)間邊柱連續(xù)的情況下閘門結(jié)構(gòu)整體剛度有所增大。
(2)閘門節(jié)間邊柱斷開有水情況下的基頻為6.044 Hz,約為無水情況下(33.076 Hz)的 18.3%;節(jié)間邊柱連續(xù)有水情況下的基頻為6.797 Hz,約為無水情況下(38.178 Hz)的17.8%??梢姡郊铀w對閘門自振頻率的影響較大,流固耦合效應(yīng)不可忽略。
表5 節(jié)間邊柱斷開時閘門結(jié)構(gòu)自振特性計算結(jié)果
表6 節(jié)間邊柱連續(xù)時閘門結(jié)構(gòu)自振特性計算結(jié)果
(1)從前述計算結(jié)果來看,閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下,閘門結(jié)構(gòu)均能滿足強度、剛度、穩(wěn)定性要求。
(2)附加水體對閘門自振頻率的影響較大,計算閘門自振特性時流固耦合效應(yīng)不可忽略;閘門節(jié)間邊柱斷開與節(jié)間邊柱連續(xù)相比,各階自振頻率均有所增大,主要是節(jié)間邊柱連續(xù)的情況下,閘門結(jié)構(gòu)整體剛度有所增大的緣故。
(3)從輪壓分布的合理性上來看,閘門節(jié)間邊柱斷開形式優(yōu)于節(jié)間邊柱連續(xù)形式。
[1]謝智雄,孫小峰,譚守林.U形閘門結(jié)構(gòu)靜動力特性研究[J].華電技術(shù),2012,34(5):21 -23.
[2]謝智雄,賀高年,黃峻,等.大跨度平面閘門的自振特性研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2006(6):69-72.
[3]謝智雄,周建方.大型弧形閘門的自振特性計算[J].河海大學(xué)常州分校學(xué)報,2006,20(3):25 -28.
[4]謝智雄,周建方.大型弧形閘門靜力特性有限元分析[J].水利電力機械,2006,28(4):21 -24.
[5]謝智雄,周建方.大跨度弧形閘門的自振特性研究[J].水利電力機械,2006,28(5):18 -20,23.
[6]謝智雄,周建方,冷偉.多主梁多定輪平面閘門定輪載荷計算研究[J].水利電力機械,2006,28
[7]DL/T 5013—1995,水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范[S].
[8]水電站機電設(shè)計手冊編寫組.水電站機電設(shè)計手冊 金屬結(jié)構(gòu)(一)[M].北京:水利電力出版社,1988.
[9]閆蘊菁,張瑞杰.ANSYS軟件在水電站弧形閘門設(shè)計中的應(yīng)用[J].華電技術(shù),2010,32(11):26 -27.
[10]劉永勝,何孟蕓,賈仕開.草街航電樞紐工程沖沙閘弧形工作閘門設(shè)計[J].華電技術(shù),2011,33(10):5 -9.
[11]馬曉明,俞漫野,蔣建國,等.大跨度空間網(wǎng)架金屬閘門殘余應(yīng)力靜載負(fù)荷時效試驗[J].華電技術(shù),2010,32(8):12-14.