大藤峽船閘人字閘門疲勞分析

劉 浩，袁 偉，師小小，馬建軍

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130021）

1 概述

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，是一座以防洪、航運、發(fā)電、水資源配置為主，結合灌溉等綜合利用的大型Ⅰ等水利樞紐工程。大藤峽黔江船閘級別為Ⅰ級，船閘設計年貨運量下行為3.952×107t，上行為1.530×107t，船閘設計最大通航船舶噸級為3 000 t，船隊噸級為2×2 000 t。船閘正常蓄水位為61.0 m，上游最高通航水位61.0 m，上游最低通航水位44.0 m，上閘首檻頂高程38.2 m，上閘首檻上水深5.8 m，下閘首檻頂高程14.95 m，下閘首檻上水深5.8 m，下游最高通航水位41.24 m，下游最低通航水位20.75 m，下游檢修水位29.50 m。

大藤峽水利樞紐工程船閘屬于特大型閘門，下閘首人字工作閘門的技術指標已超過世界上已建船閘的人字閘門，在總體布置、結構型式、制造工藝等諸方面技術復雜，無直接經驗可循。因此，為了保證閘門設計的科學性、經濟性和合理性，保證大藤峽水利樞紐的安全、運行，對船閘疲勞問題展開科學研究，分析船閘疲勞破壞的機理和性質。

2 研究內容

大藤峽水利樞紐工程船閘下閘首人字閘門疲勞專題研究的核心是疲勞分析，圖1為人字閘門疲勞分析的流程：

1）首先對人字閘門進行有限元計算；

2）將有限元計算的結果文件導入到疲勞分析軟件中，確定疲勞分析初始條件，包括分析的類型（節(jié)點應力和應變），單位的選取等節(jié)點其他信息；

3）疲勞分析定義，包括疲勞載荷譜的定義與施加、定義材料屬性、定義算法等；

4）定義疲勞分析條件并進行疲勞分析，計算完成后，對疲勞結果文件進行后處理，對結果進行分析解讀。

圖1 疲勞分析流程

大藤峽水利樞紐工程船閘下閘首人字閘門疲勞主要包括：不同工況下的閘門受力數(shù)值模擬研究；研究不同工況下閘門的載荷變化情況，進行疲勞分析計算。

3 疲勞計算

3.1 有限元模型前處理

閘門結構有限元分析采用國際通用的有限元程序ANSYS，人字門有限元分析選取一個由板單元、梁單元、三維體單元在空間聯(lián)結而成的組合有限元模型。單元的劃分基本上按閘門結構布置上的特點采用自然離散的方式，將面板、主橫梁、縱梁、次梁、隔板及各種加筋板等構件離散為8結點二次板殼單元，啟閉推力桿和背拉桿離散為梁單元，底樞、頂樞、門軸柱、斜接柱背拉桿的節(jié)點板離散為三維體單元。圖2為人字門的網(wǎng)格模型的局部顯示，共生成1.086×106個單元。

閘門主體材料為Q390GJD鋼，材料參數(shù)：彈性模量 E=206 000 MPa，質量密度 ρ=7.85×10-9t/mm3，泊松比 μ=0.3；應力應變關系如圖3所示。利用材料的疲勞試驗數(shù)據(jù)，并結合Coffin-Manson壽命預測公式，得到材料應力應變和壽命的關系，最終擬合出Q390GJD的應變疲勞壽命曲線，如圖4所示。

圖2 人字門局部網(wǎng)格模型

圖3 Q390GJD的應力應變曲線

圖4 擬合的Q390GJD應變疲勞壽命曲線

3.2 工況分析

在下閘首人字閘門的單個運行周期內，人字閘門所受載荷隨不同的運行工況而變化。閘門從開始關門到關門結束，從開始開門到開門結束，此兩個過程變化的載荷為壅水壓力，其從零逐漸增大到最大0.2 m的水頭，然后逐漸減小至零。

閘門關門擋水進行充泄水，此過程閘門承受不斷變化的水壓力。充水時，閘門水壓力從零逐漸增大到40.25 m的水頭；泄水時，閘門水壓力從40.25 m的水頭逐漸減小到零。閘門單個運行周期的載荷隨時間的變化歷程如圖5所示。

圖5 船閘單個運行周期荷載的時間變化歷程

閘門在單個運行周期包括閘門開關門和充泄水兩個過程，形成了幾種受力工況：1）開門位置工況，閘門計算荷載為閘門構件自重與背拉桿預應力；2）關門運行工況，閘門計算荷載為閘門構件自重、風壓、壅水壓力與背拉桿預應力；3）開門運行工況，閘門計算荷載為閘門構件自重、風壓、壅水壓力與背拉桿預應力；4）關門位置工況，閘門計算荷載為閘門構件自重與背拉桿預應力；5）關門擋水工況，閘門計算荷載為閘門構件自重、水壓力與背拉桿預應力。

4 結果分析

圖6—圖10為充泄水過程人字閘門門體的疲勞壽命云圖。圖11—圖12為開關門過程中人字閘門門體的疲勞壽命云圖。

如圖6所示，門體的低疲勞壽命區(qū)域集中在門葉中下部區(qū)域，門葉的迎水側由背拉桿作用而產生的拉應力，逐漸向由水壓力作用而產生的壓應力轉變，因此應力變化幅度較為明顯，疲勞壽命較低。從主梁16到主梁26之間的門葉區(qū)域疲勞壽命最低達到7.6×105次，滿足設計疲勞壽命。

如圖7所示，主梁20到主梁30之間的門軸柱與推力隔板的連接區(qū)域低疲勞壽命分布較為明顯，主梁10和主梁23腹板的變厚度區(qū)域有一定的疲勞損傷，疲勞壽命在1×107次以上，滿足設計疲勞壽命。

由圖8可知，人字門主梁腹板的最低壽命為1.422×105次，為主梁27腹板，低于設計疲勞壽命。

如圖9所示，底樞與主梁30腹板的連接部分外沿的最低壽命在7×105次以上，滿足設計疲勞要求。主梁30后翼與豎向隔板1、豎向隔板2后翼的連接區(qū)域有一定的疲勞損傷，最低壽命在4.11×105次以上，接近設計疲勞壽命。

如圖10所示，斜接柱與主梁30腹板的連接部分的最低壽命在2.52×105次，低于設計疲勞壽命。

圖6 充泄水過程門體上游側疲勞壽命云圖

圖7 充泄水過程門體下游側疲勞壽命云圖

圖8 充泄水過程主梁腹板疲勞壽命云圖

圖9 充泄水過程門軸柱底部附近區(qū)域的疲勞壽命云圖

圖10 充泄水過程斜接柱底部區(qū)域的疲勞壽命云圖

如圖11所示，底樞與主梁30腹板的連接部位外沿的疲勞損傷較為明顯，疲勞壽命在4.713×105以上，但是此部位與充泄水工況下的損傷進行疊加后得到的壽命為2.876×105，低于設計疲勞壽命。主梁30后翼與豎向隔板1后翼的連接區(qū)域有一定的疲勞損傷，疲勞壽命約在2.32×106以上，與充泄水工況下的損傷進行疊加后得到的壽命為3.491×106，滿足設計疲勞壽命。主梁29與30之間，與端板連接的后筋板有一定的疲勞損傷，疲勞壽命約在8.042×105以上，與充泄水工況下的損傷進行疊加后得到的壽命滿足設計疲勞壽命。豎向隔板1前翼緣與主梁30前翼緣的連接部位存在較為明顯的損傷，疲勞壽命約在4.713×105以上，與充泄水工況下的損傷進行疊加后得到的壽命接近設計疲勞壽命。

圖11 開關門過程下游側門軸柱和底樞附近的疲勞壽命云圖

圖12 開關門過程上游側門軸柱和底樞附近的疲勞壽命云圖

5 結論及建議

通過疲勞分析表明，門體底樞附近的主梁腹板及前后翼，易發(fā)生疲勞破壞。因此需要重點對上述部位進行優(yōu)化改進。

大藤峽船閘設計中采用的鋼板比較厚，采用普通鋼材時韌性、塑性較低，此時應采用有低溫沖擊韌性要求的鋼材，中厚板推薦采用鋼材Q390GJD、DH40。建議適當增大結構截面尺寸，增加過渡圓角，添加加強筋以此降低應力值，進而降低疲勞損傷。采用合理的焊接工藝方法，保證焊后消除殘余應力，并進行表面光潔度處理。通過上述從材料、設計、加工等方面進行全方面控制，最終可以有效提高人字門的疲勞壽命。