基于ANSYS的懸臂式雙向門機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析

祁林攀，辛勇軍，趙春龍，高 揚(yáng)，李 崗

（中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065）

基于ANSYS的懸臂式雙向門機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析

祁林攀，辛勇軍，趙春龍，高 揚(yáng)，李 崗

（中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065）

水利水電工程中門式啟閉機(jī)廣泛應(yīng)用于進(jìn)水口、壩頂及尾水平臺(tái)閘門和攔污柵的啟閉、檢修及吊運(yùn)，是保證水利水電工程安全和正常運(yùn)行的重要設(shè)備。啟閉機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，需要考慮不同荷載組合下結(jié)構(gòu)的安全性，懸臂式雙向門機(jī)在各類啟閉機(jī)設(shè)備中更為突出。針對(duì)某水電工程進(jìn)水口雙向門機(jī)，論述了設(shè)計(jì)需考慮的載荷、工況，借助大型有限元計(jì)算分析軟件ANSYS通過空間三維結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力計(jì)算分析，提出了設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的關(guān)鍵問題，對(duì)工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

懸臂式；雙向門機(jī)；有限元；結(jié)構(gòu)分析

0 引言

啟閉機(jī)是一種專門應(yīng)用于水利水電工程閘門、攔污柵等啟閉和吊運(yùn)的特殊起重機(jī)，其可靠運(yùn)行對(duì)保障工程安全至關(guān)重要[1]。移動(dòng)式啟閉機(jī)尤其是雙向門機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，需要考慮不同荷載組合下結(jié)構(gòu)的安全性。門機(jī)若發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞或傾覆失穩(wěn)，后果十分嚴(yán)重。水利水電工程中布置于進(jìn)水口的雙向門機(jī)，由于清污和提柵等要求，常需要在門機(jī)上游跨外設(shè)置副小車，形成了帶懸臂式的門架結(jié)構(gòu)，其安全問題更為突出。本文以某水電站進(jìn)水口1600kN/2×200kN雙向門機(jī)為例，論述了懸臂式雙向門機(jī)設(shè)計(jì)考慮的載荷及工況，對(duì)門架進(jìn)行三維靜動(dòng)力特性分析，全面校核分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)和可靠。

1 設(shè)備參數(shù)

某水電站進(jìn)水口1600kN/2×200kN雙向門機(jī)共1臺(tái)，主起升小車布置于門機(jī)跨內(nèi)，用于啟閉電站進(jìn)水口檢修閘門，以及快速閘門及液壓啟閉機(jī)的安裝、檢修等，副起升小車用于啟吊進(jìn)水口攔污柵、清污抓斗以及吊運(yùn)進(jìn)水口平臺(tái)零星物品。門機(jī)主要由主起升小車、副起升小車、門架結(jié)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、機(jī)房、機(jī)房內(nèi)電動(dòng)單梁橋機(jī)、門機(jī)軌道、夾軌器、阻進(jìn)器及埋件、防風(fēng)錨定裝置及埋件、測(cè)風(fēng)儀、避雷裝置、電力拖動(dòng)和控制設(shè)備以及必要的附屬設(shè)備組成，構(gòu)造如圖1所示。

2 荷載工況

主副小車不同時(shí)工作。主小車額定起升載荷1600kN，額定運(yùn)行載荷1000kN，在門機(jī)跨內(nèi)上下游極限位間運(yùn)行；副小車起升載荷2×200kN，額定運(yùn)行載荷2×200kN，在門機(jī)上游懸壁段上下游極限位間運(yùn)行。主、副小車架結(jié)構(gòu)按各自起升機(jī)構(gòu)及行走機(jī)構(gòu)要求進(jìn)行了梁格布置。主、副小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)均設(shè)4個(gè)車輪，2個(gè)主動(dòng)車輪，2個(gè)從動(dòng)車輪，上部荷載通過小車車輪傳遞至下部門架。門架主要由箱形主梁、端梁、門腿、中橫梁以及行走梁組成，主梁與端梁通過高強(qiáng)螺栓連接為整體組成上部結(jié)構(gòu)，并與門腿進(jìn)行現(xiàn)場焊接，門腿再與下部行走梁通過高強(qiáng)螺栓連接。大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)共有8個(gè)車輪，4臺(tái)主動(dòng)車輪組，4臺(tái)從動(dòng)車輪組，門架底部行走梁與大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)通過高強(qiáng)螺栓連接最終將上部荷載傳遞至軌道。

圖1 某水電站進(jìn)水口1600kN/2×200kN雙向門機(jī)構(gòu)造圖

圖2 進(jìn)水口1600kN/2×200kN雙向門機(jī)荷載圖

根據(jù)《水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/ T5167-2002），門架結(jié)構(gòu)按兩類荷載情況進(jìn)行計(jì)算。第Ⅰ類荷載按工作時(shí)的最大荷載進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算；第Ⅱ類按非工作時(shí)的最大荷載或工作時(shí)的特殊荷載進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性的驗(yàn)算[2]。結(jié)構(gòu)材料采用Q345C，第Ⅱ類荷載許用應(yīng)力在第Ⅰ類荷載情況下提高15%。進(jìn)水口1600kN/2×200kN雙向門機(jī)運(yùn)行主副小車不同時(shí)工作。計(jì)算主小車工況荷載時(shí)，僅附加副小車自重荷載和風(fēng)荷載；計(jì)算副小車工況荷載時(shí)，僅附加主小車自重荷載和風(fēng)荷載。主小車工作時(shí)的工況如表1所示，副小車工作時(shí)的工況如表2所示。

表1 主小車工作時(shí)工況

表2 副小車工作時(shí)的工況

風(fēng)荷載按最不利方向施加，主、副小車及起吊閘門迎風(fēng)面風(fēng)荷載按集中力施加于門架頂部軌道小車輪壓位置，門架風(fēng)荷載以均布荷載按照工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓250N/m2，非工作狀態(tài)600N/m2施加于迎風(fēng)面上，取風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.3，風(fēng)向下游一排門架乘以擋風(fēng)系數(shù)，取平均擋風(fēng)系數(shù)為0.5。按大車運(yùn)行速度確定行走慣性加速度0.098m/s2，方向平行于軌道，計(jì)算慣性力時(shí)，慣性加速度引起的小車水平慣性力按集中力施加于小車輪壓處，門架水平慣性力按慣性加速度施加水平方向場速度。重力加速度g=10m/s2，地震加速度取0.096g?？紤]模型簡化減少的自重，通過重力加速度g乘以系數(shù)k的形式考慮，k值為實(shí)際重量與模型重量的比值。

3 模型建立

門架采用ANSYS有限元計(jì)算軟件進(jìn)行三維建模及分析。建模在盡量保持與設(shè)計(jì)圖紙一致性的前提作一定簡化[4]，如梁系板間高強(qiáng)度螺連接栓和焊接連接統(tǒng)一簡化為剛性連接，建模忽略平臺(tái)、欄桿、梯子、車輪和司機(jī)室等附屬結(jié)構(gòu)，其重量在施加荷載時(shí)統(tǒng)一考慮。

圖3 門架幾何模型

圖4 門架有限元模型

采用統(tǒng)一單位制：mm（長度），kg（質(zhì)量） ，N（力）， MPa（應(yīng)力)）。

建模坐標(biāo)系采用笛卡兒坐標(biāo)，X軸方向?yàn)轫標(biāo)鞣较?，指向下游。Y軸方向?yàn)閴屋S向方向，向左岸為正；Z軸方向?yàn)橹亓Ψ较?，向上為正。采用殼單元SHELL181來模擬門架的主要構(gòu)件，181單元適用于薄到中等厚度的殼結(jié)構(gòu)，可以保證計(jì)算分析模型與結(jié)構(gòu)原型的整體剛度相一致，單元整體控制為100mm×100mm四邊形網(wǎng)格，局部調(diào)整。門架上部小車軌道簡化為梁系，采用beam188梁單元模擬。模型共分為140827個(gè)單元，138487個(gè)節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)得到門架簡化模型重量為136.9t。

門機(jī)行走梁與下部車輪行走機(jī)構(gòu)連接部位施加三個(gè)方向平移自由度約束。按小車輪壓施加上部荷載，其他荷載按相應(yīng)工況荷載位置及大小施加。門架結(jié)構(gòu)空間幾何模型及有限元模型如圖3和圖4所示。彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，質(zhì)量密度ρ=7850kg /m3。

4 計(jì)算分析

4.1 靜力分析

1）剛度校核

圖5 工況4整體位移云圖

圖6 工況13整體位移云圖

對(duì)于受彎構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)撓度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行剛度校核[5]。根據(jù)規(guī)范，門機(jī)在跨中的撓度，當(dāng)工作級(jí)別為Q3時(shí)，yL≤L/800，其中L為門機(jī)的跨度；對(duì)于有懸臂的門機(jī)，當(dāng)小車位于懸臂上的有效工作位置時(shí)，該處的垂直靜撓度yL≤L/350，其中L為門機(jī)的懸臂長度。

通過有限元計(jì)算工況1～工況14知，門架在第I類荷載作用下最大撓度發(fā)生在工況13，即副小車上游極限位起吊運(yùn)行荷載，發(fā)生在門架上游懸臂處，最大撓度為：fmax=28.0mm＜[f]=L/350=11000/350=31.4mm。門架在第I類荷載作用下，跨內(nèi)最大撓度發(fā)生在工況4，即主小車跨中起吊額定荷載，跨內(nèi)最大撓度為：fmax=7.6mm＜[f]=L/800=13500/800=16.9mm。該工況門機(jī)最大撓度為11.9mm，仍發(fā)生在門架上游懸臂處。因此，門架剛度滿足規(guī)范要求。

2）強(qiáng)度校核

采用第4強(qiáng)度理論，提取Von Mises應(yīng)力作為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，允計(jì)應(yīng)力按規(guī)范規(guī)定取值。門架在第I類荷載作用下最大應(yīng)力發(fā)生在工況7，即主小車下游極限位置起吊額定荷載，最大應(yīng)力σ=119.0MPa＜[σ]=230MPa。門架在第II類荷載作用下最大應(yīng)力發(fā)生在工況9，即主小車下游極限位置起吊試驗(yàn)荷載，最大應(yīng)力：σ =138.1MPa＜1.15[σ]=264.5MPa，門架在各工況下最大應(yīng)力滿足規(guī)范要求的強(qiáng)度。

圖7 工況7等效應(yīng)力云圖

圖8 工況9等效應(yīng)力云圖

3）抗傾覆穩(wěn)定性校核

通過有限元計(jì)算工況15～工況19并提取支座約束處的支反力知，門腿支反力均為正值，因此門架抗傾覆穩(wěn)定滿足要求。

4.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種方法，通過模態(tài)分析可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在外部或內(nèi)部振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及振動(dòng)故障診斷的重要方法[6]。模態(tài)分析主要研究沒有阻尼的自由振動(dòng)，分析時(shí)只須對(duì)模型施加零位移約束，本文模態(tài)分析計(jì)算提取了門架前8階自振頻率，圖9～圖12列出了門架第1～4階振型的變形方式。

表3 門架前8階自振頻率

圖9 第1階振型

圖10 第2階振型

圖11 第3階振型

圖12 第4階振型

門機(jī)第1階振型為上下游方向以主梁為主的整體水平振動(dòng)，可由主、副小車運(yùn)行的水平制動(dòng)激勵(lì)引起；第2階振型為左右岸方向以主梁上游懸壁端為主的整體水平振動(dòng)，可由副小車吊物左右岸方向移動(dòng)時(shí)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的水平制動(dòng)激勵(lì)引起；第3階振型為左右岸方向以主梁下游端為主的整體水平振動(dòng)，可由主小車吊物左右岸方向移動(dòng)時(shí)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的水平制動(dòng)激勵(lì)引起；第4階振型為門式啟閉機(jī)主梁上游懸壁端局部豎直振動(dòng)，可由副小車垂直吊物制動(dòng)激勵(lì)引起。模態(tài)分析結(jié)果表明，門機(jī)結(jié)構(gòu)由于跨度大，上游懸臂長，結(jié)構(gòu)剛度偏柔，低階振動(dòng)變形以主梁尤其是上游懸臂端的水平振動(dòng)變形為主，實(shí)際工作過程中應(yīng)盡量平穩(wěn)啟、制動(dòng)，降低振動(dòng)發(fā)生的機(jī)率。

5 結(jié)論

1）論述了懸臂式雙向門機(jī)需要考慮的荷載及工況組合，在盡量反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的前提下，建立了門架結(jié)構(gòu)的整體殼單元模型，計(jì)算校核了門機(jī)的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2）靜力分析充分掌握了懸臂式門架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布規(guī)律，可在滿足啟閉機(jī)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的條件下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低應(yīng)力集中，減輕結(jié)構(gòu)自重。

3）模態(tài)分析全面反映了門機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中易發(fā)生的振動(dòng)變形方式。當(dāng)外部激勵(lì)頻率接近各低階自振頻率時(shí)，有可能產(chǎn)生較大的振幅，使結(jié)構(gòu)受到損害，運(yùn)行過程中應(yīng)避免產(chǎn)生導(dǎo)致有害振型的頻率。

4）模態(tài)分析結(jié)構(gòu)表明該門機(jī)整體動(dòng)態(tài)剛性偏柔，低階振動(dòng)變形主要為上部水平振動(dòng)變形，運(yùn)行時(shí)移動(dòng)吊物應(yīng)盡量平穩(wěn)啟、制動(dòng)以降低振動(dòng)。

[1] 付建科,徐亮,李孝民,等.門式啟閉機(jī)門架結(jié)構(gòu)有限元分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2012,34(3)：83-86.

[2] 中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范DL/T5167-2002[M].北京：中國電力出版社,2003.

[3] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn),起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T3811-2008[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[4] 胡友安,徐婷,顧曉峰.門式啟閉機(jī)門架結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力學(xué)分析[J],華電技術(shù),2012,34(2).

[5] 武琰.水電站雙向門式啟閉機(jī)門架結(jié)構(gòu)有限元分析[J].水電工程,2015,9：1025-1026.

[6] 焦美,程文明.隨機(jī)地震激勵(lì)下門機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及可靠度分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015,11.

Structural fi nite element analysis of cantilever two-direction gantry crane based on ANSYS software

QI Lin-pan, XIN Yong-Jun, ZHAO Chun-Long, GAO Yang, LI Gang

TV664+.3

：A

：1009-0134(2017)05-0084-05

2017-01-22

祁林攀（1987 -），男，甘肅西和人，工程師，碩士研究生，主要從事水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。