升船機承船廂結(jié)構(gòu)有限元分析研究

金龍，李宜燃，王敏

（杭州國電機械設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州310030）

0 引言

大型升船機是水利水電工程中的重要通航建筑物，其主要作用是為客貨輪和特種船舶提供快速過壩通道。對于大升程、大噸位的升船機，國內(nèi)外主要有齒輪齒條爬升式和鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升式兩種形式。齒輪齒條爬升式升船機有更高的安全可靠性，但其設(shè)計和建造更為復(fù)雜、建設(shè)成本高且國內(nèi)還沒有相關(guān)的設(shè)計建造經(jīng)驗。目前，國內(nèi)僅三峽升船機采用這種形式，且處于設(shè)計施工階段［1-2］。

國內(nèi)從上世紀(jì)80年代設(shè)計建造的巖灘升船機起，已建成了多座鋼絲繩卷垂直提升式升船機，包括入水式和全平衡式，積累了大量工程實踐經(jīng)驗及數(shù)據(jù)。入水式升船機承船廂由大量交叉連接的筋板焊接而成，王晉媛，石端偉等已對其進行了有限元分析研究。而全平衡式升船機承船廂不需要進入水體中，使用大量的箱型結(jié)構(gòu)以保證其剛度，張志強、鮑務(wù)均等已對其進行了研究。本課題的烏江沙沱升船機即為最大的全平衡式在建升船機。由于其提升重量為迄今為止最大的，其結(jié)構(gòu)和受力情況復(fù)雜程度也幾何倍數(shù)增加。為確保其結(jié)構(gòu)的安全性，對其進行有限元分析研究十分有必要［3-5］。

烏江沙沱升船機主體部分由上下閘首、塔柱、承船廂、機房、液壓調(diào)平裝置、頂緊裝置鎖定裝置、平衡重系統(tǒng)級主提升裝置組成。為了全面了解承船廂在各種工況下的應(yīng)力分布、變形趨勢及整體的剛度，確保升船機平穩(wěn)可靠運行，本研究利用有限元軟件對承船廂進行力學(xué)分析，對承船廂結(jié)構(gòu)的剛度、強度及穩(wěn)定性作出評估［6］。研究的主要內(nèi)容包括：不同工況下承船廂整體的應(yīng)力與應(yīng)變；承船廂與頂緊機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)聯(lián)接端面的應(yīng)力和應(yīng)變；吊耳板處的應(yīng)力和應(yīng)變；承船廂門欄與臥倒門聯(lián)接處的應(yīng)力與應(yīng)變。同時根據(jù)計算結(jié)果設(shè)計承船廂應(yīng)力和變形的觀測方法。

1 建模建立

1.1 承船廂結(jié)構(gòu)的主要特征

承船廂為一開口薄壁鋼結(jié)構(gòu)，其斷面圖如圖1所示，有效水體尺寸為56 m×12 m×3.2 m，外形尺寸為70 m×16 m×7.6 m，設(shè)計載水總重為2 300 t。承船廂兩端廂頭部分為臥倒門槽和門欄，為滿足其剛度要求，設(shè)計多組箱型梁作為支撐。左、右兩側(cè)的箱型薄壁鋼結(jié)構(gòu)為主縱梁，內(nèi)部布置隔板及角鋼以加強其剛度。主縱梁貫穿整個承船廂，為承船廂的主要承重構(gòu)件。處于承船廂中部的平臺底下布置相互垂直的主橫梁和次縱梁，其上鋪12 mm鋼板，為升船機起升船只時船只?？康钠脚_（下面簡稱主平臺）。

圖1 承船廂結(jié)構(gòu)斷面示意圖

從組成結(jié)構(gòu)上來看，采用有限元方法按整體空間結(jié)構(gòu)體系計算時，其有限元計算模型大致可分為以下兩種：

（1）板梁結(jié)構(gòu)。面板、門欄及臥倒門槽部分用板單元進行模擬；主橫梁、主縱梁中間部分、箱型梁，及角鋼用梁單元進行模擬。

（2）空間薄壁結(jié)構(gòu)。將構(gòu)成承船廂的所有結(jié)構(gòu)（包括鋪板、主縱梁、主橫梁、箱型梁、門欄、吊耳及各種翼板）均采用板單元進行模擬。

從以上2種計算模型來看，板梁結(jié)構(gòu)模型較為精簡，做簡化處理時要記入一點的誤差。在早期進行承船廂有限元分析時，由于受計算條件所限，多采用該模型；空間薄壁結(jié)構(gòu)模型未對承船廂結(jié)構(gòu)進行過多的簡化，保留了原來問題的復(fù)雜性，計算結(jié)果更為精確，但計算量也會更大。隨著計算機硬件計算及有限元分析軟件的不斷發(fā)展和完善，計算條件已經(jīng)大為改善，因而本研究采用空間薄壁結(jié)構(gòu)模型對承船廂進行模擬分析。

1.2 承船廂建模

由于承船箱的金屬結(jié)構(gòu)部分相對于前后、左右兩中間面是完全對稱的，本研究對有限元模型采用1/4對稱建模，以降低建模難度和計算量。本次有限元分析先用hypermesh前處理軟件用板單元建立承船廂的三維模型，1/4承船廂模型如圖2所示。求解器及后處理都在ANSYS軟件中進行。

圖2 hypermesh中1/4承船廂模型

本研究利用其強大網(wǎng)格劃分功能承船廂進行手動網(wǎng)格劃分，將吊耳，上下平臺與主縱梁的連接處等關(guān)鍵部分進行網(wǎng)格細化，并通過控制雅克比值來控制網(wǎng)格的質(zhì)量，共劃分85×105個網(wǎng)格。模型的板單元選用shell181，對不同厚度的鋼板賦不同的實常數(shù)以表示其厚度。其長度單位為mm；力的單位為N；加速度的單位為m/s2；質(zhì)量單位為tonne。材料的彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3；鋼材的密度取7.85×10-9tonne/mm3。

1.3 工況及約束條件

承船廂的正常工作水位為（2.5±0.2）m，本次分析為確保分析結(jié)果安全可靠，計算時將水位設(shè)為滿箱極限水位3.2 m，承船廂各組件都處于最大應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)。承船廂內(nèi)水的壓力加載如下：

（1）承船廂側(cè)壁的根據(jù)水深加載豎直方向的梯度壓力；

（2）主平臺和上平臺也由水深確定其壓力；

（3）臥倒門均攤到門欄上的里加上門欄自身受到的水梯度壓力為加載到門欄上的力；

根據(jù)設(shè)計要求承船廂向上的最大向上的加速度為0.4 m/s2，合并承船廂自重設(shè)方向向下，大小為10.2 m/s2的加速度。

1/4的承船廂上共有20個鋼絲繩吊耳，其鋼絲繩分別通過平衡滑輪、安全卷筒及提升卷筒牽引，其分布如圖3所示。

圖3 各約束位置示意圖

平衡滑輪鋼絲繩另一端懸掛固定重量的配重箱以平衡承船廂的重量，因而在平衡滑輪鋼絲繩吊耳上的力大小固定，方向豎直向上。安全卷筒及提升卷筒在承船廂滿載的情況下都處于制動器制動狀態(tài)，因而其鋼絲繩吊耳只是在Y方向為固定約束，其余各自由度釋放。各約束具體情況如表1所示。

表1 承船廂各約束情況

2 計算結(jié)果分析及驗證方法

2.1 承船廂有限元計算結(jié)果及分析

基于上述約束，經(jīng)過有限元計算分析，本研究得到了承船廂總體的應(yīng)力和位移分布云圖。由于其結(jié)構(gòu)和受力的復(fù)雜，位移變形和應(yīng)力分布也是復(fù)雜的。主要的位移特點和應(yīng)力分布結(jié)果如下所述：

（1）承船廂的總體位移云圖如圖4所示。其最大位移點位于承船廂主平臺的中間位置，大小為13.09 mm，方向為豎直向下?？伤愠銎渲鳈M梁和主縱梁的最大撓度值與跨度比分別為1/1 453和1/5 344，小于1/750和1/1 000控制值，滿足了設(shè)計的要求。

（2）承船廂中央平臺主要受到水的壓力及自重中部向下彎曲，帶動主縱梁向內(nèi)彎曲，主縱梁中部最大向內(nèi)彎曲位移為6.04 mm，其主平臺內(nèi)還布置了3個箱型梁，加強剛度。對應(yīng)主縱梁外側(cè)布置的承船廂的鎖定裝置和導(dǎo)向頂緊裝置，最大向內(nèi)彎曲位移為1.62 mm和3.87 mm。鎖定裝置滿足了位移小于3 mm的設(shè)計要求，頂緊裝置布置處因加強結(jié)構(gòu)剛度，或?qū)㈨斁o裝置的位置布置的盡量靠下，以確保滿載時的變形位移滿足設(shè)計要求。

圖4 承船廂總體位移云圖

（3）承船廂廂頭裝載了許多液壓、電器設(shè)備，因而布置了大量的箱型梁及垂直拼接的筋板以保證其剛度和穩(wěn)定性。廂頭的位移分布云圖。除鋪板外的結(jié)構(gòu)部分的位移都小于2 mm，門欄部分的位移無集中彎曲點其都小于1 mm，能確保臥倒門關(guān)閉時能與門欄緊密接合，不會漏水。

（4）承船廂的總體應(yīng)力云圖如圖5所示。應(yīng)力最大的位置為位于主縱梁中部，與中央平臺聯(lián)接處的筋板過人孔處，最大應(yīng)力為186.32 MPa，小于許用值250 MPa。

圖5 承船廂總體應(yīng)力云圖

（5）從承船廂總體的應(yīng)力云圖中可以看出絕大部分為藍色區(qū)域，應(yīng)力較小。5個關(guān)鍵的應(yīng)力受控部位，應(yīng)力相對集中，其大小如表2所示。吊耳部分，由于在吊耳筋板的內(nèi)測布置一塊長鋼板，使各筋板相連形成箱型結(jié)構(gòu)，從而使無論是安全卷筒還是平衡滑輪其應(yīng)力都大大減小。

（6）由于廂頭布置了大量箱型梁，整體剛度較高。與其相連的主縱梁和主平臺的連接處都出現(xiàn)了應(yīng)力相對較大處。在大跨度的情況下，主平臺底部主橫梁的下翼板也受到了較大的拉應(yīng)力。這幾個部位都可以適當(dāng)加強，以使應(yīng)力分布更平均。

2.2 承船廂的變形及應(yīng)力觀測

為確保升船機的安全運行及驗證上述有限元分析準(zhǔn)確性，在承船廂加工完成進行廠內(nèi)聯(lián)調(diào)時，還應(yīng)設(shè)置觀測步驟以確定承船廂的變形及應(yīng)力。

表2 控制部位最大應(yīng)力

本研究根據(jù)上述計算得出承船廂的應(yīng)力應(yīng)變分布特點，驗證應(yīng)變帶來的承船廂整體變形趨勢，認為采用全站儀進行觀測較為合適［7-8］。全站儀不僅可以確定承船廂的空間方位，更能確定其相對變形，其布置位置如下：在主縱梁上翼板處布置26個，各吊耳處布置一個，在靠近中間變形較大處增加布置兩個測點，并在頂緊裝置和鎖定裝置的頂部布置6個測點；在與臥倒門對接的U型門欄上布置8個測點；主橫梁下翼板的跨中不布置12個觀測點，靠近中間處多布置。其具體布置位置如圖6所示。圖中圓形黑點為主縱梁上的測點；三角形為門欄上測點；星型為主橫梁下翼板上測點［9-13］。

圖6 測點布置位置示意圖

應(yīng)力變形可在計算得出的應(yīng)力相對集中的主縱梁中間靠下位置的肋板處、各吊耳處、主橫梁下翼板處、主縱梁與廂頭連接下彎曲處及主平臺與廂頭連接的次縱梁處貼應(yīng)變片，來測量得到各應(yīng)力控制位置的應(yīng)力。

3 結(jié)束語

沙沱升船機為全球已建和在建的卷筒卷揚式升船機中，提升高度和起重量最大的升船機?；谟邢拊浖嗀NSYS、hypermesh，本研究對其承船廂進行了分析。

（1）由于承船廂的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，區(qū)別于以往的建模方式，本研究基于hypermesh前處理軟件建立承船廂空間薄壁結(jié)構(gòu)模型，未對承船廂結(jié)構(gòu)進行過多的簡化，保留了原來問題的復(fù)雜性，計算結(jié)果更為精確?？蓪ν惿瑱C承船廂結(jié)構(gòu)的分析提供借鑒。

（2）本研究經(jīng)計算得出了位移分布云圖，對主縱梁和主橫梁的撓度進行了校核，確保其滿足設(shè)計要求。還對承船廂的幾個關(guān)鍵部位進行了剛度校核，提出改進意見確保其滿足設(shè)計要求。

（3）本研究經(jīng)計算得出了應(yīng)力分布云圖，可確保其最大應(yīng)力點滿足許用應(yīng)力要求。對其幾個關(guān)鍵應(yīng)力控制部位進行校核，提出了改善的意見。

（4）為確保升船機有效安全運行，本研究對仿真計算結(jié)果進行了驗證，根據(jù)計算得出的承船廂變形特點，設(shè)計承船廂變形的觀測方法，對之后的工程設(shè)計及深入研究提供了借鑒。

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