船閘橫拉門靜力數(shù)值分析

許東婷,胡友安

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇常州213022)

京杭運(yùn)河劉山復(fù)線船閘工程橫拉門為2 000噸級(jí)船閘,2級(jí)通航建筑物。上下閘首均采用了橫拉門。閘門采用15噸齒條式啟閉機(jī)。閘門為桁架雙面板結(jié)構(gòu)。由于閘門設(shè)計(jì)時(shí)采用了傳統(tǒng)的平面體系的設(shè)計(jì)方法,未能正確反映閘門空間的受力情況,忽略了各構(gòu)件的相互聯(lián)系及整體協(xié)調(diào)性,因此,為確保閘門安全可靠的運(yùn)行,借助有限元分析軟件對(duì)閘門的靜力特性進(jìn)行計(jì)算研究,為閘門設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)十分必要。

1 計(jì)算模型及計(jì)算工況

1.1 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

以有限元軟件ANSYS為計(jì)算平臺(tái),建立下游橫拉門模型。閘門幾何模型如圖1。采用Shell63單元模擬面板、浮箱,Beam188單元模擬梁[1]。下游橫拉門整體劃分為13 654個(gè)單元,15 621個(gè)節(jié)點(diǎn)。下游橫拉門的有限元網(wǎng)格如圖2所示[2]。坐標(biāo)系選擇為:x軸為閘門長(zhǎng)度方向,y軸豎直向上,z軸指向上游。

圖1 船閘橫拉門的幾何模型

閘門結(jié)構(gòu)選用材料Q235鋼,彈性模量E=2.06×1011Pa,泊松比v=0.3,重力加速度取9.8 m/s2。同時(shí)考慮焊縫、加勁板等構(gòu)件細(xì)部材料,取密度修正系數(shù)為1.2,將密度按 ρ=7850×1.2=9 420 kg/m3進(jìn)行折算考慮[3]。

圖2 有限元計(jì)算網(wǎng)格

1.2 計(jì)算工況及約束條件

根據(jù)閘門實(shí)際運(yùn)行情況,閘門運(yùn)行時(shí)受自身重力和水壓力作用,重力加速度取9.8 m/s2。表1為閘門兩種不通運(yùn)行工況下的計(jì)算水位。

表1 不同工況下的計(jì)算水位 單位:m

閘門不同運(yùn)行工況下的約束條件為:閘門底部滑輪處施加y方向、z方向的位移約束,閘門右吊架處施加x方向、y方向、z方向位移約束,閘門受壓面板止水處施加z方向的位移約束。

2 強(qiáng)度及剛度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的規(guī)定,確定各構(gòu)件的容許應(yīng)力。面板、浮箱其厚度小于等于12 mm(屬鋼材尺寸第一組),其材料容許應(yīng)力[σ1]=160 MPa,[τ2]=95 MPa,對(duì)于大中型工程的在役閘門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算時(shí),取容許應(yīng)力修正系數(shù) k=0.95×0.95=0.9025,修正后閘門材料的容許應(yīng)力為:[σ2]=144.4 MPa,[τ2]=85.74 MPa,材料局部承壓容許應(yīng)力[σca′]=240 MPa,計(jì)算的最大應(yīng)力值不得超過容許應(yīng)力的5%,即252 MPa[5]。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]規(guī)定,剛度驗(yàn)算時(shí)要驗(yàn)算受彎構(gòu)件的撓度,露頂式工作閘門最大撓度與計(jì)算跨度之比不應(yīng)超過閘門主梁的1/600,該船閘橫拉門為露頂式工作閘門,其主梁長(zhǎng)度為23 m,則該船閘橫拉門的最大允許撓度為38.33 mm。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

閘門在載荷的作用下,應(yīng)力分布情況極為復(fù)雜,按第四強(qiáng)度理論對(duì)閘門的強(qiáng)度進(jìn)行校核,折算應(yīng)力為:

式中:σ1、σ2、σ3分別是 3個(gè)方向的主應(yīng)力[6]。

正向通航時(shí),閘門所受水壓力最大。整體最大折算應(yīng)力為 187 MPa,浮箱最大折算應(yīng)力為222 MPa,面板最大折算應(yīng)力為187 MPa,梁最大折算應(yīng)力為107 MPa。位于面板與浮箱連接區(qū)域的焊縫處,出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象,計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同工況下面板和浮箱的最大折算應(yīng)力值 單位:MPa

表3為不同工況下主橫梁的最大折算應(yīng)力。由表3知,主橫梁應(yīng)力值均小于材料的容許應(yīng)力,滿足強(qiáng)度要求。

表4為不同工況下豎桁架的最大折算應(yīng)力。由表4知,豎桁架應(yīng)力值均小于材料的容許應(yīng)力,滿足強(qiáng)度要求。

表3 不同工況下主橫梁的最大折算應(yīng)力 單位:MPa

3.2 剛度的計(jì)算結(jié)果與分析

圖3為正向通航工況下的總體變形圖。由圖3可見,沿水壓方向的變形是閘門的主要變形。閘門浮箱附近的面板變形最大,應(yīng)對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,面板底部變形也相對(duì)較大,為更有效的防止底止水漏水,也可以對(duì)此位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。面板設(shè)計(jì)時(shí)多數(shù)都參考國(guó)內(nèi)鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范,當(dāng)出現(xiàn)上述情況,可參考美國(guó)面板設(shè)計(jì)規(guī)范,不同情況下,各國(guó)規(guī)范均有優(yōu)劣勢(shì)[7]。該閘門在各工況下的最大變形值見表5。由表5可見,最大變形值均小于38.33 mm,則該船閘橫拉門滿足剛度設(shè)計(jì)要求。

表4 不同工況下縱桁架的最大折算應(yīng)力 單位:MPa

圖3 正向通航下整體位移變形圖

表5 不同工況下閘門的最大位移 單位:mm

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)采用ANSYS建立的船閘橫拉門模型,在各種載荷作用下的變形及應(yīng)力分布規(guī)律符合實(shí)際情況,所建模型合理,能夠正確反映閘門的實(shí)際情況。

(2)計(jì)算結(jié)果表明,該船閘橫拉門整體滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,但浮箱與面板連接區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)作強(qiáng)化處理。該船閘橫拉門整體滿足剛度設(shè)計(jì)要求。但浮箱附近和面板底部變形仍較大,為更有效的防止底止水漏水和閘門的可靠運(yùn)行,可對(duì)對(duì)應(yīng)的位置作相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

(3)本文所作研究為閘門的安全可靠運(yùn)行提供了一定的理論依據(jù),可供同類型閘門的設(shè)計(jì)計(jì)算借鑒。

[1] 胡友安,王 孟.水工鋼閘門數(shù)值模擬與工程實(shí)踐[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010:24-27.

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[4] 水利部電力工業(yè)部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.SL74-2003水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2003.

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[6] 周建方.材料力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[7] 周建方,丁 偉.中美水工鋼閘門面板設(shè)計(jì)公式比較分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2012,10(6):180-182.