三角閘門頂樞結(jié)構(gòu)計算分析

楊鐸，顧磊，胡友安，姜勝先

（1.安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011；2.河海大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

1 研究背景

三角閘門是由左、右各一扇繞豎軸旋轉(zhuǎn)進行啟閉的扇形或三角形門體構(gòu)成的船閘閘門，其憑借可承受雙向水頭壓力且在水頭小于0.5 m的情況下動水啟閉等眾多獨特優(yōu)點而得以廣泛運用[1]，圖1為實際工程運用圖。在三角閘門正常的運行過程中，頂樞與底樞起主要承重與支承作用，運用SolidWorks軟件對頂樞進行建模與裝配，結(jié)構(gòu)裝配圖如圖2所示。

三角閘門中底樞因工作條件惡劣而對之有較多研究，如趙新澤等[2]、劉浩等[3]對底樞進行Workbench有限元仿真，為工程實際提供參考依據(jù)，趙新澤等[4]基于底樞摩擦副失效形式提出了降低接觸應(yīng)力的措施。針對頂樞易于在頻繁運行的重載低速條件下發(fā)生故障，李然[5]通過模擬頂樞軸潤滑不良情況為實時狀態(tài)檢修提供指導(dǎo)價值；在頂樞結(jié)構(gòu)方面，林燕梅[6]結(jié)合具體工程闡述其結(jié)構(gòu)設(shè)計，但在頂樞結(jié)構(gòu)強度方面的研究較為欠缺。對此，本文利用Workbench對頂樞進行非線性有限元分析，并與理論計算結(jié)果進行對比，為頂樞在實際工程中的設(shè)計與運用提供參考與借鑒。

圖1 三角閘門實物圖Fig.1 Object picture of the triangular gate

圖2 頂樞結(jié)構(gòu)裝配圖Fig.2 Assembly graphic of the structure of top pintle

2 支座反力求解

本文以引江濟淮工程合裕線上的三角閘門為工程背景展開研究，其中心角為70°，主弧半徑R=18.3 m，面板高度14.86 m。面板、主梁等采用Shell181單元模擬，剛架結(jié)構(gòu)、水平次梁等采用Beam188單元模擬。閘門材料為Q355B，其彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

給定閘門如下約束：底樞水平方向和豎直方向位移約束（X、Y、Z），頂樞和啟閉點水平方向位移約束（X、Y）。結(jié)合表1中4種不同設(shè)計水位組合，對上述有限元模型在不同組合工況下進行求解以提取閘門頂樞處拉力[7]，并將結(jié)果進行匯總。

表1 不同設(shè)計水位下頂樞拉力Table 1 Top pintle tension under different design water levels

3 非線性接觸分析

接觸狀態(tài)指兩物體表面彼此接觸且互切，此類問題屬于狀態(tài)變化的高度非線性行為。Workbench為達到實際接觸體彼此互不穿透的目的，提供接觸方程——純粹罰函數(shù)法、增廣Lagrange法、MPC法等進行強制接觸協(xié)調(diào)，結(jié)合本文研究對象——頂樞的實際接觸情況，主要采用純粹罰函數(shù)法和增廣Lagrange法[8]。Workbench中5種接觸類型及特點如表2所示。

表2 Workbench中接觸類型及特點Table 2 Contact types and characteristics in Workbench

基于表2中接觸類型與特點，考慮頂樞中各部件的實際接觸情況，將左旋拉桿1與軸、左旋拉桿2與軸之間的接觸類型設(shè)置為Frictional（摩擦），其余部件間接觸類型設(shè)置為Bonded（綁定）。

3.1 罰函數(shù)法

檢測接觸面是否發(fā)生穿透會在系統(tǒng)每進行一次子步計算時進行：若未穿透則不處理，否則在接觸面上引入法向接觸力FN：

式中：KN為法向接觸剛度；x為穿透深度。

3.2 增廣Lagrange法

為減弱計算過程中對接觸剛性變化的敏感性，基于罰函數(shù)法在法向接觸力上增加額外接觸力λ。此時，法向接觸力FN變?yōu)椋?/p>

4 平面計算與有限元結(jié)果對比分析

4.1 頂樞有限元模型與參數(shù)

基于SolidWorks的頂樞裝配模型，將其另存為X_T文件并導(dǎo)入Workbench中[9]，根據(jù)各部件實際材料賦值相應(yīng)材料參數(shù)并進行網(wǎng)格劃分。圖3為頂樞有限元模型。

圖3 頂樞有限元模型Fig.3 Finite element model of the top pintle

根據(jù)表1中頂樞拉力求解結(jié)果，選取最不利情況下頂樞拉力進行以下分析，即：選取組合2工況下的頂樞拉力，并在支承座豎直面板上施加水平拉力F=7 179 kN。同時，考慮頂樞實際受約束情況，在拉架1和拉架2的水平面與豎直面處施加Fixed約束，具體位置如圖3中箭頭所指處。

4.2 理論計算與有限元結(jié)果

基于上述非線性接觸分析理論，運用Workbench進行有限元求解，并對相關(guān)部件根據(jù)材料力學(xué)理論計算原理進行求解，將相關(guān)結(jié)果進行匯總?cè)绫?所示。在表3中，偏差[10]指理論計算與有限元結(jié)果平均值之間的偏差。

表3 頂樞各部件理論計算與有限元結(jié)果對比Table 3 Comparison of theoretical calculation and finite element results of top pintle components

4.3 結(jié)果對比分析

分析表3數(shù)據(jù)可知：頂樞各部件理論計算結(jié)果高于有限元結(jié)果的平均值，偏差最大值與最小值分別達16.20%和58.04%，分別位于左旋拉桿2和花籃螺母2處，造成上述偏差較大的原因有二：第一，理論計算時將各部件彼此孤立，故未能考慮結(jié)構(gòu)整體的相互協(xié)調(diào)作用；第二，理論計算時無法將各部件之間非線性接觸行為考慮其中，這亦是產(chǎn)生上述偏差的重要原因。

在表3中，還需指出：左旋拉桿1、2和右旋拉桿1、2有限元結(jié)果的最大值分別達316.85 MPa、324.84 MPa、273.37 MPa和290.94 MPa，遠超其許用應(yīng)力155 MPa，但除此之外其余部件的有限元結(jié)果最大值均在各自材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。為進一步探究左、右旋拉桿1、2產(chǎn)生上述情況的原因，從Workbench有限元結(jié)果中提取相應(yīng)應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖4 應(yīng)力云圖（Pa）Fig.4 Stress nephogram(Pa)

圖4 直觀體現(xiàn)了在左、右旋拉桿1、2處存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，具體位于圖中雙圓圈處，但其均屬于接觸應(yīng)力，在塑性變形后會迅速恢復(fù)正常[11-12]，且旋拉桿整體平均應(yīng)力在71.68 MPa左右，遠低于許用應(yīng)力155 MPa，故上述應(yīng)力集中現(xiàn)象對結(jié)構(gòu)整體無太大影響。為保險起見，可對應(yīng)力集中處結(jié)構(gòu)稍加調(diào)整，如增大倒角半徑等以緩減應(yīng)力集中現(xiàn)象，確保頂樞結(jié)構(gòu)安全可靠。

基于上述分析可知：理論計算結(jié)果高于有限元結(jié)果的平均值，體現(xiàn)出理論計算更具安全性，適合于頂樞結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計，且效率更高，但需重視旋拉桿結(jié)構(gòu)的合理性，確保閘門安全可靠運行；有限元結(jié)果貼合于工程實際，對其更具指導(dǎo)意義。上述結(jié)論為生產(chǎn)實際中理論計算與有限元方法的選擇提供了重要參考依據(jù)。

5 結(jié)語

本文運用Workbench軟件對頂樞進行非線性有限元分析，并與理論計算結(jié)果進行對比，結(jié)論如下：

1）頂樞各部件理論計算結(jié)果與有限元結(jié)果偏差較高，這是由于理論計算時無法考慮結(jié)構(gòu)整體的相互協(xié)調(diào)性與各部件間非線性接觸行為所致。

2）左、右旋拉桿1、2處存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，但其屬于接觸應(yīng)力，在塑性變形后會迅速恢復(fù)正常，對結(jié)構(gòu)整體無較大損害。

3）理論計算對頂樞結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有較高的運用價值，結(jié)構(gòu)設(shè)計高效且安全；Workbench有限元分析與工程實際更貼合，可為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)意義。

上述結(jié)論為生產(chǎn)實際中理論計算與有限元方法的選擇提供了重要參考依據(jù)。