基于ANSYS軟件的弧形鋼閘門(mén)三維有限元分析

冀 芳，李 崗

（1.西安技師學(xué)院，西安 712000；2.西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

弧形鋼閘門(mén)具有啟閉靈活，操作性好，水流條件好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于泄水建筑物的工作閘門(mén)[1]。按照國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的行業(yè)規(guī)范《水電水利工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》，閘門(mén)設(shè)計(jì)采用平面結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)力學(xué)法，弧形閘門(mén)的縱向梁系和面板，可忽略其曲率的影響，近似按直梁和平板進(jìn)行驗(yàn)算[2]。這種方法是將弧形閘門(mén)簡(jiǎn)化分解為單個(gè)構(gòu)件（面板、主梁、水平次梁、垂直次梁、支臂等），然后按平面體系的結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)每一部件進(jìn)行計(jì)算。但弧形鋼閘門(mén)是個(gè)空間結(jié)構(gòu)，外部荷載將由全部結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)。按照平面體系方法不能準(zhǔn)確反映弧形鋼閘門(mén)的空間結(jié)構(gòu)真實(shí)受力情況，設(shè)計(jì)出的閘門(mén)可能在一些部件上過(guò)于保守，而在一些關(guān)鍵部位又可能安全裕度不夠，從而造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的不安全[3]。隨著計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，有限元分析技術(shù)在工程技術(shù)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)關(guān)于弧形鋼閘門(mén)有限元計(jì)算分析的文獻(xiàn)都是針對(duì)具體的工程進(jìn)行計(jì)算。但有限元方法的計(jì)算結(jié)果與單元型式、網(wǎng)格疏密、荷載類(lèi)型及邊界約束條件有直接關(guān)系。目前還沒(méi)有相關(guān)判定的標(biāo)準(zhǔn)，本文將基于ANSYS軟件平臺(tái)對(duì)弧形鋼閘門(mén)三維模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界約束、荷載類(lèi)型等進(jìn)行研究，并應(yīng)用于具體工程實(shí)例，為弧形鋼閘門(mén)的三維有限元分析提供依據(jù)和參考。

1 有限元模型建立及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題處理

1.1 單元類(lèi)型選擇及網(wǎng)格劃分

弧形閘門(mén)是一個(gè)板、梁、柱組合的空間薄壁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)組成、受力分析比較復(fù)雜，模型離散是有限元分析成功的關(guān)鍵。模型離散包括單元類(lèi)型選擇及網(wǎng)格劃分兩部分[4]。

首先單元類(lèi)型選擇主要考慮弧形鋼閘門(mén)各部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及傳力方式。這就必須要求對(duì)弧形鋼閘門(mén)按組成構(gòu)件進(jìn)行解剖。典型弧形鋼閘門(mén)由門(mén)葉結(jié)構(gòu)（包括面板、主橫梁、水平次梁、垂直次梁等構(gòu)件）、支臂結(jié)構(gòu)（包括支臂、支臂之間的聯(lián)接桿件）和支鉸等三大部分組成?；⌒武撻l門(mén)各構(gòu)件單元類(lèi)型選擇如表1所示。

表1 弧形鋼閘門(mén)主要構(gòu)件有限元單元類(lèi)型

其次，單元形態(tài)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大。在單元?jiǎng)澐謺r(shí)，應(yīng)盡量使單元的形狀規(guī)則化，各構(gòu)件在相互連接處保證有共同節(jié)點(diǎn)，有良好的變形和受力的協(xié)調(diào)性，以保證有限元計(jì)算結(jié)果的正確性。同時(shí)單元的尺寸必須足夠小，才能夠反映出結(jié)構(gòu)局部真實(shí)的應(yīng)力和變形結(jié)果，這樣計(jì)算的誤差才能控制在可接受范圍內(nèi)。但單元?jiǎng)澐诌^(guò)小，模型數(shù)據(jù)量會(huì)增大，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件提出更高要求，增加計(jì)算分析難度。對(duì)于同一有限元模型，可通過(guò)多次單元?jiǎng)澐直容^，直至取得理想的計(jì)算結(jié)果。

1.2 邊界約束處理

根據(jù)弧形鋼閘門(mén)運(yùn)行工況及邊界條件，對(duì)有限元模型施加邊界約束如表2所示。

表2 弧形鋼閘門(mén)有限元模型施加的主要邊界約束

應(yīng)說(shuō)明對(duì)門(mén)葉與底坎接觸部位，在計(jì)算啟門(mén)瞬間工況時(shí)，應(yīng)保持單元自由狀態(tài)；對(duì)于門(mén)葉吊耳與啟閉機(jī)聯(lián)接部位，在計(jì)算靜態(tài)擋水工況時(shí)，應(yīng)保持單元自由狀態(tài)。

1.3 計(jì)算工況及荷載

按照弧形閘門(mén)正常運(yùn)行及受力情況，應(yīng)對(duì)閘門(mén)靜態(tài)擋水、啟門(mén)瞬間和最大開(kāi)度三種工況進(jìn)行計(jì)算分析。按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，其分別應(yīng)考慮的荷載如下：

1）靜態(tài)擋水

（1）閘門(mén)設(shè)計(jì)水頭下的水壓力：將閘門(mén)實(shí)際承受的水壓力按照梯度面荷載施加于門(mén)葉面板上游側(cè)；

（2）閘門(mén)自重（包括加重）：在設(shè)置模型材料密度的前提下，設(shè)置豎直向下的重力加速度值為閘門(mén)所在地區(qū)的重力加速度值[5]；

（3）其他荷載（如有）：包括泥沙壓力、波浪壓力、風(fēng)壓力等，可按照規(guī)范計(jì)算方法，將計(jì)算結(jié)果施加于有限元模型相應(yīng)部位。

2）啟門(mén)瞬間

（1）閘門(mén)設(shè)計(jì)水頭下的水壓力；

（2）閘門(mén)自重（包括加重）；

（3）其他荷載（如有）：包括泥沙壓力、波浪壓力、風(fēng)壓力等；

（4） 啟閉力：在閘門(mén)處于啟門(mén)瞬間工況時(shí)，閘門(mén)自重、水封摩阻力、支鉸摩阻力、啟閉力對(duì)于支鉸中心的力矩處于平衡狀態(tài)，此時(shí)啟閉力可通過(guò)對(duì)閘門(mén)吊耳處施加垂直和水平向位移約束實(shí)現(xiàn)。

3）最大開(kāi)度

（1）閘門(mén)自重（包括加重）；

（2）啟閉力：在閘門(mén)處于最大開(kāi)度時(shí)，閘門(mén)自重和啟閉力對(duì)于支鉸中心的力矩處于平衡狀態(tài)。此時(shí)啟閉力可通過(guò)對(duì)閘門(mén)施加重力，并對(duì)閘門(mén)吊耳處施加垂直和水平向的位移約束實(shí)現(xiàn)。

2 工程實(shí)例及基本參數(shù)

2.1 基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式

某電站大壩布置1孔泄洪底孔，其進(jìn)口設(shè)置1扇事故閘門(mén)，出口設(shè)置1扇弧形工作閘門(mén)。弧形工作閘門(mén)基本參數(shù)如表3所示。

表3 某電站泄洪底孔弧形工作閘門(mén)基本參數(shù)

該弧形鋼閘門(mén)為雙主橫梁直支臂結(jié)構(gòu)，主梁及支臂均為實(shí)腹式焊接工字形梁，支鉸采用自潤(rùn)滑軸套。閘門(mén)為單吊點(diǎn)，吊點(diǎn)布置于閘門(mén)頂部。側(cè)向支承為簡(jiǎn)支式側(cè)輪。鋼材材料主要為Q345B，型鋼材料為Q235B。止水橡皮材料為SF6674。支鉸的鉸鏈、鉸座材料為ZG310-570。支鉸軸材料為40Cr鍛鋼。

2.2 有限元模型及參數(shù)

弧形閘門(mén)的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。以水流方向?yàn)閄軸（向上游為正），重力方向?yàn)閅軸（向上為正），支鉸軸的軸向?yàn)閆軸(向右為正)建立坐標(biāo)系。根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸建立弧形閘門(mén)的三維模型，并按照本文第一節(jié)所述方法，對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和單元類(lèi)型定義。最終的有限元模型如圖2所示，共劃分為45606個(gè)單元及44129個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 弧形鋼閘門(mén)門(mén)葉總圖

閘門(mén)主要材料為Q345B，其材料參數(shù)為：密度ρ=7.85g/mm3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2.06×106Mpa，水容重?=10kN/m3。

圖2 弧形鋼閘門(mén)有限元網(wǎng)格模型

2.3 計(jì)算結(jié)果

為簡(jiǎn)化篇幅，本文只計(jì)算弧形閘門(mén)啟門(mén)瞬間的工況。按照本文1.2節(jié)中表2所述，對(duì)模型施加約束，按1.3節(jié)對(duì)模型施加荷載，包括閘門(mén)自重、設(shè)計(jì)水頭下水壓力、啟門(mén)力。對(duì)弧形閘門(mén)進(jìn)行靜力分析，得到位移計(jì)算結(jié)果如圖3所示，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。計(jì)算結(jié)果中應(yīng)力單位為MPa，位移單位為mm。

從圖3看出，閘門(mén)的最大位移為5.1mm，發(fā)生于閘門(mén)中部的面板區(qū)格內(nèi)。閘門(mén)最大應(yīng)力為135Mpa，發(fā)生于上主梁與面板相交處。

圖3 整體位移計(jì)算結(jié)果

圖4 整體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比及分析

同時(shí)采用規(guī)范所述的平面體系方法對(duì)該弧形閘門(mén)進(jìn)行了計(jì)算，現(xiàn)將兩種方法的主要部件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果列于表4。

表4 兩種方法應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

1）主橫梁應(yīng)力

平面體系計(jì)算方法沒(méi)有充分考慮面板的參與作用。平面體系的主橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比三維有限元計(jì)算結(jié)果偏大。因?yàn)槊姘暹B同其他水平次梁、垂直次梁形成整體空間結(jié)構(gòu)參與了結(jié)構(gòu)受力，而平面體系方法則將主梁看成單獨(dú)作用的結(jié)構(gòu)，雖然按規(guī)范選取了面板作用寬度，但不能體系整體受力情況，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大，從表4可得，偏大約8%。但是對(duì)閘門(mén)而言是偏安全的。

2）垂直次梁應(yīng)力

平面體系計(jì)算方法的垂直次梁荷載分配偏小，導(dǎo)致其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果偏小。這是因?yàn)槠矫骟w系的計(jì)算方法將垂直次梁按兩端懸臂的簡(jiǎn)支梁計(jì)算，分配荷載為兩垂直次梁間距范圍內(nèi)的水壓力荷載。而實(shí)際受力情況是，在支臂與主橫梁連接處對(duì)應(yīng)的垂直次梁較其他垂直次梁受彈性支撐的剛度交大，因而分?jǐn)偟暮奢d多，應(yīng)力也較大，根據(jù)表4，有限元方法計(jì)算結(jié)果偏大18%。

3）支臂應(yīng)力

支臂是整個(gè)弧形鋼閘門(mén)中主要的承壓構(gòu)件，除受軸向壓力外，同時(shí)受到橫向框架平面（主橫梁和支臂框架平面）與縱向框架平面（上下支臂框架平面）內(nèi)的彎矩作用，是偏心受壓構(gòu)件。而平面體系方法只考慮了橫向框架平面內(nèi)的彎矩，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果比三維有限元方法計(jì)算結(jié)果偏小，按表4計(jì)算結(jié)果，有限元方法結(jié)果比平面體系方法偏大28%。大量的工程實(shí)踐表明，閘門(mén)失事并不是應(yīng)為支臂強(qiáng)度不夠，而是支臂失穩(wěn)，發(fā)生彎扭引起的。因此支臂計(jì)算必須考慮空間結(jié)構(gòu)的受力情況。

4）面板應(yīng)力

由表4看出，按照現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算得到的面板應(yīng)力大于有限元計(jì)算結(jié)果。這是由于平面體系計(jì)算方法中采用的是面板區(qū)格中心的水壓力強(qiáng)度，且不考慮面板區(qū)格周邊梁系分擔(dān)了一定的荷載。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）基于大型有限元分析軟件ANSYS，研究了弧形鋼閘門(mén)的三維有限元分析中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)工程實(shí)例，驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性和可靠性。

2）對(duì)于弧形鋼閘門(mén)主梁，現(xiàn)行規(guī)范的平面體系計(jì)算方法由于未充分考慮面板及相鄰次梁的作用，主梁的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果偏大，是偏安全的。

3）對(duì)于弧形鋼閘門(mén)支臂，由于平面體系計(jì)算只靠慮了橫向主框架平面內(nèi)的受力，因此計(jì)算結(jié)果偏小。因此除進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算外，必須對(duì)支臂進(jìn)行兩個(gè)平面內(nèi)的穩(wěn)定性校核。

4）對(duì)于垂直次梁，按照平面體系計(jì)算方法人為將荷載均勻分配，導(dǎo)致支臂處次梁計(jì)算應(yīng)力偏小，而此部位是弧形鋼閘門(mén)受力關(guān)鍵部位，因此應(yīng)對(duì)支臂處的垂直次梁進(jìn)行三維有限元應(yīng)力復(fù)核。

5）三維有限單元法雖然真實(shí)反映了弧形鋼閘門(mén)空間結(jié)構(gòu)受力情況，但由于計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)人員的有限元計(jì)算水平提出了較高要求，且國(guó)內(nèi)沒(méi)有相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)導(dǎo)則可供參考，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果無(wú)法評(píng)判和驗(yàn)證。這是亟待解決的問(wèn)題。

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