基于ANSYS淺析露頂式弧形閘門支臂自振特性

楊 松，曾祥磊

弧形閘門作為現(xiàn)使用最為廣泛的門型之一，因其具有較好的水流條件和能承受較大的水壓力等優(yōu)點被大量使用。結(jié)合國內(nèi)外已發(fā)生的多起露頂式弧形閘門故障及失事事件[1～4]情況來看，引發(fā)弧形閘門失事的因素有很多，但主要破壞部位大都發(fā)生在弧形閘門支臂部位，其中部分破壞是由于振動誘發(fā)支臂失穩(wěn)造成。

露頂式弧形閘門支臂間支承桁架結(jié)構(gòu)中，斜腹桿在其中到底能夠起到何種作用還沒有定論有待研究。本文基于大型有限元分析軟件ANSYS建模模擬，對依托工程露頂式弧形閘門進行模態(tài)分析。

1 有限元模型的建立及分析方案的確立

1.1 有限元模型的建立

水工鋼閘門是一種典型的鋼結(jié)構(gòu)，主要為空間薄壁結(jié)構(gòu)體系[5～6]，根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)的受力特點，將整個閘門各部分均離散為殼單元。此次分析閘門所有結(jié)構(gòu)均采用shell63單元建模，此單元能較好的模擬閘門薄壁結(jié)構(gòu)體系的實際受力情況，據(jù)此所建立的有限元計算模型如圖1所示，經(jīng)單元劃分，計算模型的節(jié)點總數(shù)59848個，單元總數(shù)60073個。此次分析按表孔弧形閘門的實際工況施加邊界條件，如圖2所示為約束施加示意圖，其中，閘門在支鉸處受X(逆水流方向)、Y(豎直方向)、Z(支鉸軸向)方向的平動約束，以及繞 X、Y軸的轉(zhuǎn)動約束；閘門在面板底緣即與底檻接觸處，施加Y方向的平動約束。

圖1 有限元模型

圖2 約束施加示意圖

1.2 分析方案的確立

將露頂式弧形閘門經(jīng)典布置型式拆分為如圖3所示三種布置型式分別進行模擬對比，兩兩比較三種型式的模擬結(jié)果，以得到圖示斜撐一和斜撐二對露頂式弧形閘門支臂自振特性的影響。

圖3 三種布置型式

2 模態(tài)分析結(jié)果

2.1 有害振動的評價標(biāo)準(zhǔn)

引起閘門振動的因素有很多，比如閘門開度、下游淹沒水躍對閘門產(chǎn)生周期性的沖擊作用、止水漏水、閘門底緣型式、通氣孔尺寸過小及水流的脈動壓力等。對于水工鋼閘門，水的脈動作用，是導(dǎo)致閘門產(chǎn)生不同程度共振的主要誘因之一，也是設(shè)計時應(yīng)該考慮的主要因素。

水流的脈動擾力在工程實際中是一個隨機荷載，我們常用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法來找其主頻。經(jīng)過大量的原型觀測和模型試驗測出的水流脈動主頻數(shù)值來看，約93%的閘門其水流脈動主頻率在1～20 Hz，有48.3%的閘門水流主頻在1～10 Hz，很少有水流主頻大于20 Hz的。在閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計中，我們希望其在1～20 Hz內(nèi)的主頻越少越好，特別是1～10 Hz內(nèi)的主頻尤為需要避免。

2.2 三種布置型式的低階模態(tài)

為對比分析三種布置型式在水流主頻1～20 Hz內(nèi)的自振特性的差異，取三種布置方式的前20階（已囊括水流主頻）自振特性進行對比分析。表1統(tǒng)計了前20階自振特性的數(shù)據(jù)（振型圖未一一列出），如圖4～6所示為三種布置型式的二階模態(tài)振型。

表1 三種布置方式前20階自振特性

圖4 布置型式一二階模態(tài)

圖5 布置型式二二階模態(tài)

圖6 布置型式三二階模態(tài)

統(tǒng)計分析三種支臂布置型式在水流脈動主頻1～20 Hz范圍內(nèi)的自振特性容易得到如下總結(jié)：

（1）支臂及其支承結(jié)構(gòu)自振頻率范圍

支臂結(jié)構(gòu)參與共振均在1～20 Hz以內(nèi)且為主要參與結(jié)構(gòu)，邊梁和縱隔板發(fā)生共振的自振頻率均在18 Hz以上，門葉結(jié)構(gòu)的自振頻率分布大致相同，斜撐是否布置對支臂以外結(jié)構(gòu)的自振頻率范圍基本沒有影響。

（2）水流脈動主頻內(nèi)主要參與自振的階數(shù)

在水流脈動主頻1～20Hz范圍內(nèi)三種布置型式的自振頻率分別有19階、15階、17階，其中，支臂部位主要參與的共振分別有3階、7階、7階，且頻率范圍越來越集中。總的來說，斜撐一和斜撐二的布置有利于減小支臂共振的概率，縮小共振頻率的范圍。

（3）水流脈動主頻內(nèi)主要參與自振的部位

三種布置型式主要發(fā)生振動的部位分別為斜撐一、靠近豎撐一和豎撐二的支臂段、豎撐二及其附近支臂段。布置斜撐，有利于將支臂的振動轉(zhuǎn)化到斜撐上，同時減小整個支臂結(jié)構(gòu)的振幅。

（4）水流脈動主頻內(nèi)主要參與自振的方向

在水流脈動主頻1～20Hz范圍內(nèi)，三種布置形式支臂及其間支承結(jié)構(gòu)的主要振動方向分別為Z方向、Y方向和Z方向、Y方向。布置斜撐，有利于減少支臂在Y方向上的振動，而Y方向上支臂剛度較小，穩(wěn)定性較差，最容易失穩(wěn)，應(yīng)該重點避免此方向上的振動。

3 結(jié)論

通過對露頂式弧形閘門支臂支承結(jié)構(gòu)三種不同布置型式分別進行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)水流脈動主頻范圍內(nèi)，閘門產(chǎn)生共振的部位主要為支臂結(jié)構(gòu)，支臂間支承結(jié)構(gòu)的布置型式不同，對露頂式弧形閘門的自振特性影響較為顯著，主要表現(xiàn)在對閘門支臂自振特性的影響上。斜撐一和斜撐二的布置，能夠減小支臂共振的頻率范圍、發(fā)生共振的概率及支臂的振幅，同時改善共振的方向，使其在薄弱方向的振動減少，但對閘門門葉結(jié)構(gòu)、縱隔板、邊梁的自振特性基本沒有影響。在露頂式弧形閘門的設(shè)計中，應(yīng)該盡可能考慮合理布置支臂間的斜撐。

[1]湖南省水利發(fā)電工程學(xué)會,湖南省電力公司.水電站事故（障礙）案例與分析[M].北京:中國電力出版社,2004.

[2]葉華順,夏仕鋒.潘家口水庫底孔3#工作閘門支臂變形檢測與分析研究[J].海河水利,2010,(1):26-28.

[3]馮先明,李玉芷,南彥波.子洪水庫弧形閘門事故分析與處理[J].山西水力科技,1999(1):65-67.

[4]RobortVT.Folsom大壩溢洪道弧門失事[J].國外水電技術(shù),1999,(1):21-29.

[5]Brown I E,Hutt J M.Salama A E.Finite element solution to dynamic stability of bars[J].1986,6(7):1423-1425.

[6]朱耿軍.基于ANSYS軟件平臺的弧形閘門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].南京:南京水利科學(xué)研究院,2005:1-3.