底軸驅(qū)動翻板閘門動力特性數(shù)值分析

張維杰，嚴根華

（1.山東省水利科學研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟南 250014；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

底軸驅(qū)動翻板閘門動力特性數(shù)值分析

張維杰1，嚴根華2

（1.山東省水利科學研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟南 250014；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

以蘇州河河口水閘工程底軸驅(qū)動翻板閘門為例，基于有限元分析方法和流固耦合理論，采用數(shù)值分析的方法，分別計算分析了無水、有水時閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，并通過比較揭示了流體對底軸驅(qū)動翻板閘門動力特性分析的影響。

翻板閘門；動力特性；有限元分析；流固耦合

底軸驅(qū)動翻板閘門作為一種新型閘門結(jié)構(gòu)，由于其具有門頂過水形成人工瀑布、啟閉靈活可調(diào)、臥門行洪、雙向擋水、無礙通航等特點，被廣泛應(yīng)用于城市河道管理中。在其運行過程中，閘門的靜力特性一般滿足要求，但受動水壓力的影響，閘門結(jié)構(gòu)常發(fā)生強烈振動，甚至導致結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)而破壞，造成重大事故。本文借助有限元分析軟件ANSYS，研究了無水、有水時閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，并通過比較揭示了流體對底軸驅(qū)動翻板閘門動力特性分析的影響。

1 結(jié)構(gòu)動力平衡方程

處于流場中的結(jié)構(gòu)與流體之間存在相互作用與相互影響，這種理論被稱作流固耦合理論。對于閘門結(jié)構(gòu)，其可進一步解釋為：閘門在水體中運行時，在水動荷載作用下會產(chǎn)生振動，閘門的這種振動必然導致流場壓力的波動，流場壓力波動又進而影響閘門結(jié)構(gòu)的振動，這是一個典型流固耦合振動問題。

分析結(jié)構(gòu)的固有動力特性，最主要的就是求結(jié)構(gòu)的自振頻率及其對應(yīng)的振型。結(jié)構(gòu)在坐標系中離散化后的動力平衡方程為：

其中，[M]、[C]、[K]分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣；δ¨｛｝、δ.｛｝、｛｝δ 分別為結(jié)點的加速度、速度和位移；Fs(t｛｝)為結(jié)構(gòu)耦合面上結(jié)點處的動水壓力；｛FG(t)｝為結(jié)構(gòu)上的其余作用力。

當考察結(jié)構(gòu)的自由振動時，結(jié)構(gòu)所受其余作用力｛FG(t)｝為0。與此同時，大量實例證明，結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣對結(jié)構(gòu)自振頻率和振型的影響極小，可忽略不計。簡化后的動力平衡方程變?yōu)椋?/p>

2 底軸驅(qū)動翻板閘門的動力特性分析

2.1 閘門結(jié)構(gòu)布置

蘇州河河口水閘工程底軸驅(qū)動翻板閘門主要部件包括：閘門門葉結(jié)構(gòu)、底軸總成、拐臂部件、跨中和端部支鉸。其中，閘門門葉為主縱梁結(jié)構(gòu)，門葉總寬23.9 m，凈高3.5 m，門葉沿高度方向設(shè)置5道水平次橫梁和1道頂梁。

2.2 有限元模型

底軸驅(qū)動翻板閘門有限元模型的建立依次可分為幾何模型、實體模型和有限元模型三步。為反應(yīng)閘門受力情況，單元類型選擇三維固體結(jié)構(gòu)單元Solid185，網(wǎng)格劃分方法采用四面體網(wǎng)格，單元大小根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置、形狀和尺寸分別設(shè)置，網(wǎng)格劃分后形成的有限元模型如圖1所示。其中，閘門共離散成531 426個單元，生成168 125個節(jié)點，門葉質(zhì)量為68 273 kg。

2.3 邊界條件的處理

在數(shù)值計算中，閘門門體設(shè)置為整體結(jié)構(gòu)，可滿足門體焊接的要求；底軸與門體接觸部位通過粘結(jié)操作連接，剛度比螺栓連接大；施加邊界約束的部位有吊耳環(huán)、底軸與支座接觸部位，對上述兩個邊界作如下處理：1）拐臂與啟閉機系統(tǒng)連接處的吊耳環(huán)直接采用剛接的方法，即約束了閘門的6個自由度，在一定程度上能模擬閘門全關(guān)時邊界條件；2）閘門底軸與支座相接觸的環(huán)面采用柱約束，釋放環(huán)面切向的約束而保留環(huán)面軸向與徑向約束，模擬底軸相對支座的轉(zhuǎn)動。

圖1 閘門結(jié)構(gòu)有限元模型圖（去除支座）

2.4 閘門干模態(tài)分析

閘門的干模態(tài)分析即不考慮水體作用，計算閘門本身的自振頻率和振型。無水時，閘門的一、二階振型如圖2、圖3所示。

圖2 閘門結(jié)構(gòu)第一階振型

圖3 閘門結(jié)構(gòu)第二階振型

無水時，閘門前20階自振頻率范圍為12.62~137.8 Hz，其中，從振型方面看，第2階為門葉頂角扭轉(zhuǎn)變形，第13、19階為閘門門葉拉伸變形，第17、18、20階為門葉彎扭變形，其余為閘門結(jié)構(gòu)的彎曲變形，且多為多次彎曲變形；從振動發(fā)生的部位看，振動主要集中在閘門門葉，少部分為門葉和底軸整體變形。閘門結(jié)構(gòu)的一階振動頻率為12.62 Hz，反映閘門門葉中上部的彎曲變形；閘門結(jié)構(gòu)的二階振動頻率為19.04 Hz，反映閘門門葉兩側(cè)頂角的扭轉(zhuǎn)變形。

2.5 閘門濕模態(tài)分析

分析閘門的濕模態(tài)特性需要建立閘門的流固耦合模型。其中，流體模型采用三維聲學流體單元Fluid30劃分，流體長度取10倍的閘門門葉高度25.00 m，沿長度方向?qū)⑺w分為4部分進行網(wǎng)格劃分，與閘門門葉接觸部分網(wǎng)格尺寸最小，距離越遠，網(wǎng)格尺寸越大。網(wǎng)格劃分后，流固耦合模型共生成1 207 442個單元和277 954個結(jié)點，其中閘門結(jié)構(gòu)生成494 345個單元，流體模型生成713 097個單元。翻板閘門流固耦合有限元模型如圖4所示。流體—結(jié)構(gòu)的耦合場分析采用直接耦合的方法，其余邊界條件不變。

圖4 閘門流固耦合有限元模型

有水時，閘門的前20階自振頻率范圍為5.25~75.85 Hz。從振型方面看，第1階振型反映閘門門葉的扭轉(zhuǎn)變形，第3、8階振型反映閘門的拉伸變形，第6、10、13階振型反映閘門門葉的彎扭變形，其余均反映閘門的彎曲變形；從振動發(fā)生的部位看，大部分發(fā)生在門葉部位，只有第19階為門葉和底軸的整體變形。底軸驅(qū)動翻板閘門有水時的一、二階振型如圖5~圖6所示。

2.6 計算結(jié)果分析

由流固耦合理論可知，處于流場中的閘門與流體間存在相互作用，這種相互作用會影響閘門的自振頻率和振型，在結(jié)構(gòu)動力平衡方程中表現(xiàn)為附加質(zhì)量矩。通過比較無水、有水時計算得到的閘門結(jié)構(gòu)自振頻率，可得如下主要結(jié)論：

1）有水與無水情況相比，底軸驅(qū)動翻板閘門的自振頻率大幅度下降，頻率降低百分比范圍在40%～60%之間，其中下降較大的第1、7階振動頻率，下降百分比分別為58.40%和59.28%，降低最小的第17階振動頻率下降率也高達42.32%。

圖5 閘門結(jié)構(gòu)第一階振型

圖6 閘門結(jié)構(gòu)第二階振型

2）與無水情況相比，有水時閘門的振型和振動部位發(fā)生了明顯變化。無水時閘門的彎曲變形多為門葉和底軸整體變形，有水時閘門彎曲變形多發(fā)生在門葉部位。

3 結(jié)語

通過分析干、濕兩種條件下閘門的動力特性，可以看出，門前水體不僅對底軸驅(qū)動翻板閘門的自振頻率有較大影響，同時對閘門振型和振動發(fā)生部位也產(chǎn)生了顯著影響。因此，在研究底軸驅(qū)動翻板閘門的動力特性時，必須考慮流體的影響，流固耦合效應(yīng)不容忽視。

（責任編輯 崔春梅）

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1009-6159（2017）-10-0064-02

張維杰（1990—），男，助理工程師