基于Ansys Workbench的流固耦合下不同開度弧形閘門應力變形分析研究

田國政

(新疆維吾爾自治區(qū)烏魯瓦提水利樞紐管理局， 新疆 和田 848000)

我國水利工程事業(yè)蓬勃發(fā)展，為國家及人民幸福生活提供了重要水利推動力，水利工程中閘門是重要的控水調(diào)水設施，其安全運營能極大確保水利工程長久穩(wěn)定發(fā)揮作用[1-2]。閘門由于不同地區(qū)使用條件以及設計尺寸差異，造成閘門會受到水流破壞及結構失穩(wěn)，因而研究多樣性的閘門對豐富閘門設計及安全運營具有重要意義[3-4]。研究閘門結構特性有些學者與水利工程師基于現(xiàn)場觀測，在水利工程大壩面板等重要結構部位安裝應力或應變計，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析閘門結構與安全運營之間的關系[5-6]。國內(nèi)也有一些水利專家通過室內(nèi)模型試驗，獲得閘門模型在室內(nèi)實驗室的結構應力變形特征[7-10]。除此之外，亦可采用數(shù)值模擬手段，基于閘門現(xiàn)場實際運營狀態(tài)，建立數(shù)值模型[11-13]，計算出閘門在復雜耦合場中的結構特性，為水利工程中閘門高效安全運營提供重要參考。

1 工程概況

某水庫樞紐工程承擔區(qū)域內(nèi)水資源調(diào)度及防洪等重要民生作用，惠及農(nóng)田面積超過66.67 hm2，年調(diào)水達1.2億m3，設計庫容為3億m3，設計水位為158 m，洪水位為165 m，包括有長約為5580 m的防洪堤壩，壩身設置有止水面板結構防滲，壩基與覆蓋層修建有80 cm厚的防滲墻，大壩頂部高為205 m，上下游坡度約為0.4～0.6。大壩另修建有弧形閘門，直徑設計尺寸為16 m，中間連接鉸高程為152 m，設置有橫梁作為閘門承重結構，縱梁作為閘門啟閉機控制梁，兩端連接有水平支臂，其側(cè)面圖與俯視圖如圖1所示，閘門啟閉以液壓式卷揚機控制，啟閉速度控制精度較高，閘孔為30 m2截面積的正方形孔，在閘門下游地帶設置有消力池及陡坎等水工設施，陡坎高程為148 m，水道以素混凝凝土澆筑整平，閘室內(nèi)底部鋪設鋼筋混凝土，高程相比壩體覆蓋土層高1.2 m，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料知該樞紐水利工程各部分結構滲漏量較低，滲流穩(wěn)定。

現(xiàn)場地質(zhì)勘察表明，局部地表存在有地質(zhì)褶皺帶，夾層內(nèi)含有破碎巖屑，與本工程相關的上覆土層為第四系堆積土體，包括有人工種植土與粉質(zhì)黏土、砂礫層及人工砂石墊層，人工種植土為水庫大壩修建之時從距離工程現(xiàn)場4.5 km處搬運過來，目前土體密實性較好，厚度最大為2.3 m，含水量不高，承載能力亦較弱，達不到閘室地基要求；粉質(zhì)黏土層分布范圍較廣，厚度約為2.5～5.2 m，局部可塑，含水量為36%，承載力相比人工種植土要高，但仍然處于較低水平；砂石墊層滲水性較高，顆粒粒徑最大為12 mm，與砂礫層錯綜交織；閘室基礎埋深5.6 m，位于下伏基巖中風化大理巖上，延綿范圍占到大壩整個基巖層的80%，完整性較好，標準承載力可達280 kPa；地下水穩(wěn)定埋深在1.35～6.85 m。

圖1 弧形閘門視圖

2 閘門數(shù)值結果分析

2.1 模型建立與荷載約束

利用Ansys Workbench選擇殼體單元作為閘門單元體模型，以三維殼體SOLID187作為模型基本單元體，具有3個自由度，模型材料參數(shù)設定為閘門的原材料Q345鋼參數(shù)，以六面體網(wǎng)格單元劃分，在局部結構接觸連接區(qū)域密集劃分，模型共獲得單元數(shù)198 676個，節(jié)點數(shù)254 826個，建立的數(shù)值模型如圖2所示。邊界約束荷載設定為閘門自重與水位壓力，連接桿構件轉(zhuǎn)換成材料力學中鉸接、固定端等形式，變形自由度個數(shù)亦以此為準。

圖2 數(shù)值模型圖

圖3 閘門鉸支座與吊支座反力變化特征曲線

2.2 計算結果

2.2.1 支座反力

圖3為不同開度閘門鉸支座與吊支座反力變化特征曲線。鉸支座作為閘門自重傳遞至閘墩與閘基礎的關鍵連接件，隨著閘門開度增大，鉸支座反力值逐漸減小，最大鉸支座反力出現(xiàn)在開度為0時，達到22 034.0 kN，開度值為5.0時，鉸支座反力降低了86.7%，僅為2931.0 kN。表明閘門處于較小開度時，鉸支座承受荷載水平較高，閘門結構設計之時應考慮增大小開度下鉸支座剛度承載能力。吊支座反力表征了閘門啟閉程度，從圖中各開度下吊支座反力來看，隨開度增大亦是逐漸減小，開度為5.0時，吊支座反力達568.3 kN，其僅為開度0的5.0%。分析是由于開度愈大時，水閘過水斷面積愈大，導致水流對閘門水壓力作用減小，而與水流壓力有平衡關系的支座反力亦會降低。對比鉸支座反力與吊支座反力兩個特征反力參數(shù)，可看出開度為0時，鉸支座反力足足為吊支座反力的20倍，而閘門增大開度至5.0時，兩者之間差距為5倍。分析表明閘門開度較小時，吊支座需承擔的作用力較小，故鉸支座反力與其相差較大水平；當閘門開度增大時，吊支座反力勢必需要提供更大的開啟作用力，縮小了與鉸支座反力的差距。

2.2.2 變形特征

限于篇幅，以開度0、1.5、3.0、5.0開展變形分析，圖4為各開度下閘門Z方向變形特征云圖。從圖中可看出，不論是在閘門面板結構處亦或是支臂連接桿，位移值均隨開度增大而逐漸減小，開度0時最大位移為5.375 mm，出現(xiàn)在閘門面板下底部區(qū)域，而開度5時最大位移為1.616 mm，降低幅度達70%，且其最大位移區(qū)域分布范圍相比小開度下，僅局限在閘門面板Y向最底部區(qū)域，在支臂連接桿構件上位移值以0.004～0.362 mm為主，而開度0下連接桿構件上位移值0.635～1.820 mm。分析指出閘門開度愈大，面板上位移值愈小，且支臂連接桿件上位移亦愈小，其位移方向以徑向為主。對比鉸支座與吊支座位移值可看出，鉸支座最大位移值為0.320 mm，位于鉸支座板邊緣，且各工況開度值下鉸支座最大位移為0.280～0.320 mm，位移量水平均較低；吊支座支臂的最大位移相比要高3倍，達到1.310 mm，為開度0工況下。表明閘門鉸支座Z向位移值受閘門開度影響較弱，而吊支座支臂上Z向位移由于控制閘門啟閉影響，Z向位移受此影響較大。

圖4 閘門Z向變形特征云圖

圖5為各開度下閘門X方向變形特征云圖。從圖中可看出，開度0下X向最大位移值為5.375 mm，位于閘門面板邊緣區(qū)域，且各開度值最大位移均位于此，隨開度值增大，X向位移值亦是逐漸降低，減小態(tài)勢與Z向位移值具有一致性，但X向位移0.180～0.362 mm位移區(qū)間包絡范圍隨開度值增大，包絡范圍愈廣，面板上X向位移分布在小開度下時呈大位移骨架分布，當大開度時面板上位移區(qū)間值不見顯著隔斷性，只見層次性分布，自上而下逐漸增大，直至在面板下部的骨架位移區(qū)間范圍內(nèi)。

2.2.3 應力特征

圖6為不同開度下應力特征參數(shù)值變化曲線，從圖中可看出，拉應力值最大為132.28 MPa，在開度值為0.5～3.5區(qū)間內(nèi)，拉應力值較為穩(wěn)定，處于117.2～119.3 MPa區(qū)間內(nèi)，拉應力值最小是開度5.0工況下，其最大拉應力為開度0下的76%。最大壓應力與等效應力均是隨開度值增大逐漸減小，最大壓應力與最大等效應力分別為201.48 MPa、184.27 MPa。

圖5 閘門X向變形特征云圖

圖6 應力特征參數(shù)值變化曲線

圖7為閘門Z向等效應力分布圖，從圖中可知，開度0時等效應力值最大，為各工況中最大值，達184.27 MPa，位于支臂連接桿件與鉸支座連接界面，開度值1.5與3.0時最大等效應力相比開度0時減少了28.8%、36.8%，雖等效應力值隨開度增大均有一定程度降低，但最大等效應力所在閘門位置并未發(fā)生變化，仍然存在于支臂桿與鉸支座接觸面。不可忽視的是，開度為5.0時，其最大等效應力下降了48.7%，僅為95.7 MPa，但其最大等效應力位置位于閘門面板與承重梁連接接觸面處。對比閘門各部分結構應力值，可看出閘門的下連接支撐桿件應力分布要高于上連接構件，開度0時下部支撐桿件Z向等效應力達143.32 MPa，而上部桿件最大等效應力為61.44 MPa，且這種下部支撐桿件高于上部的現(xiàn)象在開度值1.5、3.0、5.0工況中均是如此。

圖8為閘門X向等效應力分布圖，X向最大等效應力值與Z向一致，各開度下亦是逐漸降低，隨著閘門開度值增大，X向等效應力低應力區(qū)間分布愈廣，閘門開度值增大，閘門受水流壓力愈小，但從應力云圖亦可看出在大開度下等效應力值分布僅存在于面板下部連接桿件區(qū)域處，其最大等效應力亦位于此，即面板下部連接桿處X向等效應力值始終存在。

圖7 閘門Z向等效應力分布圖

圖8 閘門X向等效應力分布圖

3 結 論

針對某水利樞紐工程中弧形閘門在流固耦合場中應力變形特征，引入流固耦合分析理論與Ansys Workbench數(shù)值計算平臺，建立計算模型，得到了耦合場中閘門以下幾點結論與認識：

(1)研究了閘門鉸支座與吊支座反力變化特征均隨開度值增大而逐漸減小，開度值為5.0時，鉸支反力與吊支座反力相比開度值0下分別降低了86.7%、95.0%，分別為2931.0 kN、568.3 kN；閘門開度較小，兩反力特征參數(shù)相差較大，大開度時更大的啟閉作用力導致兩個反力間差距縮小。

(2)分析了不同開度下閘門Z向、X向變形特征，位移值均隨開度增大而逐漸減小，開度0時Z向最大位移為5.375 mm，開度5.0時降低幅度達70%，X向最大位移均位于面板邊緣；閘門開度愈大，面板上位移值愈小，且支臂連接桿件上位移亦愈小。

(3)獲得了不同開度下應力值變化特征，拉應力值最大為開度0下的132.28 MPa，開度5.0最大拉應力僅為前者的76%，最大壓應力與最大等效應力分別為201.48 MPa、184.27 MPa，應力特征參數(shù)均隨開度值增大而降低；低開度下最大等效應力位于支臂連接桿件與鉸支座連接界面，大開度下位于閘門面板與承重梁連接接觸面。