平面鋼閘門流固耦合分析與優(yōu)化設(shè)計

常 富，紀(jì) 偉

(1.水利部 長春機械研究所， 吉林 長春 130012； 2.吉林省中部城市供水股份有限公司， 吉林 長春 130000)

某引水工程取水口工作閘門，設(shè)計引水流量為38.0 m3/s，孔口尺寸為7.0 m×7.0 m(高×寬)，設(shè)計水頭為36.9 m，底坎高程為231.6 m，檢修平臺高程272.0 m。閘門為潛孔式平板滾動鋼閘門，操作方式為動水啟閉。由于該閘門設(shè)計泄流量較大、隧洞充水時間長并且有局部開啟控制泄流的要求，致使閘門下部水位變化大，水流運動形態(tài)復(fù)雜。為防止閘門局部開啟時產(chǎn)生強烈振動，甚至誘發(fā)共振[1]，有必要對閘門進行物理模型試驗研究與數(shù)值模擬計算預(yù)測，保證閘門在運行中的安全可靠性。鑒此，本文首先運用有限元軟件對閘門進行流固耦合分析，求出閘門的濕模態(tài)[2]。通過閘門水動力模型測得閘門相應(yīng)部位的脈動壓力值，得到作用在閘門門體上脈動壓力的主頻，預(yù)測出閘門有產(chǎn)生共振的風(fēng)險[3-4]。對閘門進行優(yōu)化設(shè)計，使優(yōu)化后閘門的自振頻率遠(yuǎn)離脈動水流高能區(qū)，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

1 平面鋼閘門流固耦合分析

1.1 流固耦合理論

考慮流體質(zhì)量對閘門的影響，在結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系中離散化后的結(jié)構(gòu)動力平衡方程為[5-7]

(1)

(2)

(3)

記作：

{Fs}=-[Mg]{D}

(4)

代入移項后得到：

(5)

當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)的自由振動時，荷載向量為0。同時大量的實例證明，結(jié)構(gòu)的阻尼對結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型影響很小，加之不考慮結(jié)構(gòu)阻尼，使結(jié)構(gòu)自振特性計算的工作量大為減少。因此，可以略去阻尼的影響來確定系統(tǒng)的自振頻率和振型[8]。則式(5)變?yōu)椋?/p>

(6)

1.2 平面鋼閘門自振特性分析

1.2.1 計算模型

該平面鋼閘門包括八根工字形主梁、一根底梁和兩邊兩根箱梁組成。閘門的主梁布置見圖1和圖2。閘門高7 570 mm，寬8 400 mm，面板厚20 mm。平板閘門屬于空間薄壁結(jié)構(gòu)體系[9-10]，文中采用實體單元Solid 45模擬該工作閘門的結(jié)構(gòu)體系。無限水域的長度模擬取閘門高度的10倍，水體單元采用Fluid 30單元。控制閘門門體結(jié)構(gòu)劃分單元長度為50 mm，水體結(jié)構(gòu)單元長度為300 mm，采用空間四面體網(wǎng)格，最終離散總單元2 400 579個，節(jié)點553 398個。其中，門體結(jié)構(gòu)Solid 45單元共1 063 216個；水體單元1 337 363個單元。閘門與水體數(shù)值模型見圖3所示。其中，垂直水流方向為X軸，順?biāo)鞣较驗閆軸，閘門高度方向為Y軸[11-12]。

圖1 平面閘門簡圖

圖2 平面閘門主梁布置圖

圖3閘門、水體有限元模型

1.2.2 相關(guān)參數(shù)

閘門結(jié)構(gòu)材質(zhì)Q345，閘門總重104.00 t，其中閘門體自重60.42 t，閘門配重塊43.58 t。彈性模量E=2.1×105MPa；泊松比μ=0.3；質(zhì)量密度ρ=7 800 kg/m3；重力加速度g=9.8 N/kg；水體密度1 000 kg/m3，聲音在水中傳播速度V=1 460 m/s。

1.2.3 邊界條件

采用連桿約束限制閘門的位移。即在閘門主輪與閘門槽相交處施加Z軸方向的約束，在閘門頂端吊耳處施加沿Y軸方向約束。閘門門體與水體交界面設(shè)置為耦合面[13]。

完成以上各步驟后采用直接耦合的方法對閘門進行模態(tài)求解計算。在ANSYS中，采用非對稱(Unsysmmetric)法來提取模態(tài)結(jié)果。

1.2.4 計算結(jié)果分析

由于閘門隨著開度的增大，閘門與水體接觸面積逐漸減小，所受水體附加質(zhì)量效應(yīng)的影響也逐漸減小，閘門的自振頻率會隨之逐漸增大。故本文只對閘門在關(guān)閉狀態(tài)下，分析閘門的干、濕模態(tài)[14-15]。閘門在關(guān)閉狀態(tài)下，前10階干模態(tài)和濕模態(tài)見表1。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，閘門的低階干模態(tài)為14.9 Hz，低階濕模態(tài)為9.5 Hz。

表1 閘門前10階模態(tài)

2 平面鋼閘門水動力模型試驗

該試驗中，閘門的水動力模型采用有機玻璃制作，模型比尺Lr=12，閘門原型尺寸及模型尺寸見表2，主要測量閘門底緣上的脈動壓力荷載值。閘門模型見圖4。

表2 閘門原型和模型尺寸對比表

圖4閘門模型

本文主要分析閘門底緣脈動壓力值對閘門振動的影響，故脈動壓力測點均集中在閘門底緣。閘門底緣脈動壓力測點布置見圖5，其中閘門面板布置3個測點，分別為測點P1、測點P3、測點P4；閘門底緣布置1個測點P2，在閘門底部兩根主梁的腹板和后翼緣布置4個測點，在閘門底梁斜翼緣布置1個測點。

從閘門的水力學(xué)模型試驗中得到了閘門底緣在不同開度下脈動壓力時程曲線及功率譜密度曲線，如圖6～圖10所示。

從功率譜密度曲線中得出該閘門在不同開度下的存在四個主要頻率點：分別為0.90 Hz、4.86 Hz、10.74 Hz和17.60 Hz。和閘門的自振頻率對比發(fā)現(xiàn)，閘門的低階模態(tài)與水流脈動主頻相近，有產(chǎn)生共振的風(fēng)險，需要對閘門進行優(yōu)化設(shè)計，提高閘門的低階振動頻率。

3 閘門的優(yōu)化設(shè)計

3.1 優(yōu)化基本原則

在保證閘門整體質(zhì)量不變的情況下，提高閘門的剛度。具體做法為取消閘門的配重塊，將配重塊的重量分配到閘門門體各構(gòu)件上；閘門主梁改為變截面式工字型主梁，提高閘門面板的厚度以及主梁腹板高度、厚度，以達到提高剛度的目的。

3.2 優(yōu)化后閘門的數(shù)值模型

依據(jù)優(yōu)化基本原則，閘門面板厚度最終變?yōu)?0 mm，主梁腹板厚度最終變?yōu)?0 mm，橫隔板厚度最終變?yōu)?0 mm，主梁形式改為變截面式工字形主梁，具體尺寸見圖11。為進一步提高閘門剛度，增加水平次梁，水平次梁為40 a型號槽鋼。將主梁間后翼緣進行連接封閉變成面板。運用該方法、措施進行優(yōu)化后的閘門自重為104.52 t，與原設(shè)計重量基本相同。相關(guān)尺寸及結(jié)構(gòu)布置如圖12、圖13所示。

圖5閘門脈動壓力測點布置圖

圖6 閘門在0.1開度時底緣脈動壓力時域和頻域過程曲線

圖7 閘門在0.2開度時底緣脈動壓力時域和頻域過程曲線

3.3 優(yōu)化后計算結(jié)果

分析優(yōu)化后閘門前10階干濕模態(tài)如表3所示。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，閘門的低階干濕模態(tài)均有所提高，并已經(jīng)基本遠(yuǎn)離水流脈動的高能區(qū)，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

表3 優(yōu)化后閘門前10階干濕模態(tài)

4 結(jié) 論

(1) 通過對該工程工作門進行自振特性分析，得到該閘門的低階干模態(tài)為14.90 Hz，濕模態(tài)9.50Hz。由閘門的水力學(xué)試驗可知，閘門在不同開度下運行主要存在四個主要頻率點：分別為0.90 Hz、4.86 Hz、10.74 Hz和17.60 Hz。閘門的自振動頻率與水流脈動主頻相近，有產(chǎn)生共振的風(fēng)險。

圖8閘門在0.3開度時底緣脈動壓力時域和頻域過程曲線

圖9閘門在0.4開度時底緣脈動壓力時域和頻域過程曲線

圖10 閘門0.5開度時底緣脈動壓力時域和頻域過程曲線

圖11閘門優(yōu)化后主梁平面圖

圖12 閘門優(yōu)化后整體模型

圖13閘門優(yōu)化后立體模型

(2) 通過對閘門進行優(yōu)化設(shè)計，使得優(yōu)化后閘門的低階干模態(tài)為27.00 Hz，濕模態(tài)為19.50 Hz，已基本遠(yuǎn)離水流脈動高能區(qū)，達到優(yōu)化目的。

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