內(nèi)蒙古尼爾基水庫溢洪道工作閘門結(jié)構(gòu)有限元分析

胡 博，耿長興，2，冀振亞，康 健，劉 彬

（1.水利部長春機械研究所，吉林 長春130012；2.長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春130012）

1 工程概況

尼爾基水利樞紐，位于黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界的嫩江干流上，壩址右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗尼爾基鎮(zhèn)，左岸為黑龍江省訥河市二克淺鎮(zhèn)，距下游工業(yè)重鎮(zhèn)齊齊哈爾市約189km。尼爾基水利樞紐總工期為5年，2006年12月底主體工程全部完工。

尼爾基水利樞紐工程正常蓄水位216.00m，校核洪水位219.90m，設(shè)計洪水位218.15m，水庫總庫容86.1億m3，總裝機為25萬kW，多年平均發(fā)電量6.387億kW·h。是1994年國務(wù)院批準(zhǔn)的《松花江、遼河流域水資源綜合開發(fā)利用規(guī)劃》中推薦的一期工程，是國家“十五”計劃重點項目，也是國家實施“西部大開發(fā)戰(zhàn)略”標(biāo)志性工程之一。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求，閘門投入運行后5年內(nèi)應(yīng)進(jìn)行首次檢測，首次檢測后，每6～10年應(yīng)進(jìn)行定期檢測，其中，安全檢測內(nèi)容即包括復(fù)核計算[1]。為了從理論上驗算閘門的強度情況，本次對露頂式工作閘門進(jìn)行了有限元計算分析，有限元分析計算的具體工況為：工作閘門在設(shè)計水頭（18.65m）的工況。

2 工程實例

2.1 三維模型的建立

依據(jù)提供的圖紙在Creo2.0中建立三維模型，具體如圖1、圖2所示。

2.2 有限元模型的建立

（1）模型的導(dǎo)入

圖1 閘門迎水面正視圖

圖2 閘門背水面正視圖

Creo2.0模型以step格式導(dǎo)入ANSYS16.0，經(jīng)過對比驗證，導(dǎo)入模型正確，具體見圖3。

圖3 ANSYS中閘門模型

（2）單元體選擇

閘門仿真分析可以通過兩種方式實現(xiàn)：

1）三維實體有限元模型，使用solid45單元體，優(yōu)點是模型細(xì)節(jié)體現(xiàn)較好，缺點是計算量較大，適合計算復(fù)雜空間幾何體；

2）三維片體有限元模型，使用shell63單元體，優(yōu)點是計算量較小，缺點是無法體現(xiàn)例如焊接等細(xì)節(jié)部分。

為提高分析精度，本閘門仿真分析選擇solid45單元體，通過網(wǎng)格劃分，共劃分成125501個單元。

（3）結(jié)構(gòu)尺寸及材料特性

結(jié)構(gòu)外形尺寸按設(shè)計圖紙取用，閘門進(jìn)行強度驗算時，材料的容許應(yīng)力應(yīng)按使用年限進(jìn)行修正[2]：

式中：[σ]'-修正后的容許應(yīng)力值；

K-使用年限修正系數(shù)，取0.90～0.95，鑒于本露頂式工作閘門運行狀況，此處取0.95；

[σ]-材料容許應(yīng)力值。

閘門次梁及支臂桁架結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼，鋼材厚度均小于16mm，其余結(jié)構(gòu)材料均為Q345鋼，鋼材厚度均小于 40mm。Q235 許用應(yīng)力：[σ]’=152MPa（δ≤16時，[σ]=160MPa[3]）；Q345許用應(yīng)力：[σ]’=214MPa（δ≤40，[σ]=225MPa[3]）。計算時，取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3[4]。

（4）約束處理

閘門底部受到鉛垂方向的支撐約束，兩支鉸處三個方向的位移為0，除此之外，所有節(jié)點均為自由節(jié)點。具體約束施加位置見圖4。

圖4 閘門約束圖示

（5）載荷的確定和施加

計算載荷主要考慮在閘門上的靜水壓力和閘門自重，有限元計算時按照設(shè)計圖紙上的設(shè)計水頭18.65m計算。具體載荷加載方式見圖5。

圖5 載荷加載示意圖

3 溢洪道工作閘門計算結(jié)果及分析

設(shè)計水頭下閘門總體和主要構(gòu)件應(yīng)力分布圖和變形圖見圖6～圖17，計算結(jié)果見表1。

圖6 閘門整體當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖7 閘門整體變形分 布云圖

圖8 閘門面板當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖9 閘門面板位移分 布云圖

圖10 上主梁當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖11 上主梁位移分 布云圖

圖12 下主梁當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖13 下主梁位移分布 云圖

圖14 中縱梁當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖15 中縱梁位移分布 云圖

圖16 支臂當(dāng)量應(yīng)力分布云圖

圖17 支臂位移分布云圖

表1 工作閘門應(yīng)力與變形一覽表

（1）閘門面板：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值；

（2）上主梁：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值，變形小于校核許用值；

（3）下主梁：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值，變形小于校核許用值；

（4）邊梁：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值；

（5）中縱梁：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值；

（6）次梁：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q235的校核許用應(yīng)力值，變形小于校核許用值；

（7）底梁：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q235的校核許用應(yīng)力值，變形小于校核許用值；

（8）支臂： 最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值，變形小于校核許用值；

（9）支臂桁架及連接板：最大當(dāng)量應(yīng)力值小于材料Q345的校核許用應(yīng)力值。

上述結(jié)果說明，工作閘門各主要構(gòu)件受力均滿足設(shè)計要求。

4 有限元分析結(jié)論

經(jīng)過仿真應(yīng)力值與材料的許用值對比，得到以下結(jié)論：

閘門主要構(gòu)件，包括面板、上下主梁、邊梁、中縱梁、次梁、底梁、支臂等，各自當(dāng)量應(yīng)力值整體均小于Q345或Q235鋼校核許用應(yīng)力值，且各自最大變形值也小于規(guī)范的許用剛度值。